JP6786012B1 - Power converter - Google Patents
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Abstract
スイッチング素子を備えた電力変換装置(200A)が、スイッチング素子に流れる電流値および制御信号に基づいて、スイッチング素子が格納されている半導体チップの温度変化を推定する温度変化推定部(6)と、温度変化に基づいて、半導体チップがパワーサイクルによって破壊されるまでのパワーサイクルの耐回数を演算する回数演算器(7)と、耐回数に基づいて、パワーサイクルに起因する半導体チップの劣化度を算出する劣化度演算器(8)と、を備え、温度変化推定部(6)は、半導体チップが温度上昇していると判断される際に許容される温度下降の閾値である第1の閾値と、半導体チップが温度下降していると判断される際に許容される温度上昇の閾値である第2の閾値とに基づいて、1回のパワーサイクルにおける半導体チップの温度の最大値および最小値を演算し、回数演算器(7)は、最大値および最小値に基づいて、耐回数を演算する。A power converter (200A) equipped with a switching element has a temperature change estimation unit (6) that estimates a temperature change of a semiconductor chip in which the switching element is housed based on a current value and a control signal flowing through the switching element. A number calculator (7) that calculates the number of power cycle endurances until the semiconductor chip is destroyed by the power cycle based on the temperature change, and the degree of deterioration of the semiconductor chip due to the power cycle based on the number of times. A first threshold value, which is a threshold value for a temperature drop that is allowed when it is determined that the temperature of the semiconductor chip is rising, includes a deterioration degree calculator (8) for calculating, and a temperature change estimation unit (6). The maximum and minimum values of the temperature of the semiconductor chip in one power cycle are based on the second threshold value, which is the threshold value of the temperature rise allowed when the temperature of the semiconductor chip is determined to be decreasing. Is calculated, and the count calculator (7) calculates the withstand number based on the maximum value and the minimum value.
Description
本発明は、スイッチング素子を備えた半導体チップの劣化度を算出する電力変換装置および機械学習装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a machine learning device for calculating the degree of deterioration of a semiconductor chip provided with a switching element.
インバータといった半導体電力変換器(以下、電力変換器という)は、半導体スイッチング素子(以下、スイッチング素子という)を有している。電力変換器の運転時はスイッチング素子に損失が発生するので、スイッチング素子の温度は上昇し、電力変換器が停止するとスイッチング素子の温度が低下する。このスイッチング素子の温度の上昇と下降との繰り返しは、パワーサイクルと呼ばれており、スイッチング素子が配置される半導体チップの劣化(以下、パワーサイクル劣化という)を引き起こし、半導体チップの寿命を短くする。 A semiconductor power converter such as an inverter (hereinafter referred to as a power converter) has a semiconductor switching element (hereinafter referred to as a switching element). Since a loss occurs in the switching element during operation of the power converter, the temperature of the switching element rises, and when the power converter is stopped, the temperature of the switching element falls. The repetition of the temperature rise and fall of the switching element is called a power cycle, which causes deterioration of the semiconductor chip in which the switching element is arranged (hereinafter referred to as power cycle deterioration) and shortens the life of the semiconductor chip. ..
電力変換器および電力変換器を制御する制御器を備える電力変換装置は、半導体チップ内の温度変化、すなわちジャンクション温度が分かれば、パワーサイクル劣化を推定することができるが、実際の電力変換装置が半導体チップ内のジャンクション温度を直接測定することは困難である。そこで、電力変換装置は、パワーサイクル劣化を予測し、予測結果に基づいて、パワーサイクルによる半導体チップの寿命予測を行っている。 A power converter equipped with a power converter and a controller for controlling the power converter can estimate power cycle deterioration if the temperature change in the semiconductor chip, that is, the junction temperature is known, but the actual power converter It is difficult to directly measure the junction temperature in a semiconductor chip. Therefore, the power conversion device predicts the deterioration of the power cycle and predicts the life of the semiconductor chip by the power cycle based on the prediction result.
特許文献1に記載のインバータの保護装置は、電力変換器のスイッチング周波数と交流の出力電流とから、交流1周期あたりのスイッチング素子の温度上昇時のピーク値と温度下降時のピーク値との差である温度変動値を計算している。特許文献1に記載のインバータの保護装置は、温度変動値からスイッチング素子のパワーサイクル劣化の度合いを推定している。
In the inverter protection device described in
しかしながら、上記特許文献1の技術では、電力変換器の出力周波数が低周波であり、電力変換器のスイッチング周波数が低く設定された場合には、出力周波数の1周期中において出力電流に大きな脈動(リプル)が発生する。特許文献1の技術では、このリプルに起因するスイッチング素子の損失に対応する温度変動は考慮することができなかったので、パワーサイクル劣化の推定精度が悪いという問題があった。
However, in the technique of
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、精度良くパワーサイクル劣化の度合いを推定することができる電力変換装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a power conversion device capable of accurately estimating the degree of power cycle deterioration.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、スイッチング素子を備えた電力変換装置であって、制御信号を出力してスイッチング素子を制御する制御部と、制御信号に基づいてスイッチング素子を駆動する駆動部と、を備える。本発明の電力変換装置は、スイッチング素子に流れる電流値および制御信号に基づいて、スイッチング素子が格納されている半導体チップの温度変化を推定する温度変化推定部を備える。本発明の電力変換装置は、温度変化に基づいて、半導体チップの1回の温度の上昇と下降とを1回のパワーサイクルとした場合の前記パワーサイクルの繰り返しによって前記半導体チップが破壊されるまでのパワーサイクルの耐回数を演算する回数演算部と、耐回数に基づいて、パワーサイクルの繰り返しに起因する半導体チップの劣化度をパワーサイクル劣化度として算出する劣化度演算部と、を備える。温度変化推定部は、半導体チップが温度上昇していると判断される際に許容される温度下降の閾値である第1の閾値および温度変化に基づいて、1回のパワーサイクルにおける半導体チップの温度の最大値を演算する。温度変化推定部は、半導体チップが温度下降していると判断される際に許容される温度上昇の閾値である第2の閾値および温度変化に基づいて、1回のパワーサイクルにおける半導体チップの温度の最小値を演算し、最大値および最小値に基づいて、半導体チップの1回のパワーサイクルにおける温度変動差を演算し、回数演算部は、温度変動差に基づいて、耐回数を演算する。温度変化推定部は、スイッチング素子に流れる電流値と、制御信号とに基づいて、スイッチング素子に発生する電力損失を演算し、スイッチング素子の熱抵抗値の時間変化を示す過渡熱抵抗データおよびスイッチング素子の熱時定数を用いた一次遅れ項のデータから算出されたスイッチング素子の過渡熱抵抗と、電力損失と、に基づいて、温度変化を演算する。過渡熱抵抗は、複数の一次遅れ系の複数の熱伝達関数の和で表現されている。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the present invention is a power conversion device provided with a switching element, based on a control unit that outputs a control signal to control the switching element, and a control signal. A drive unit for driving a switching element is provided. The power conversion device of the present invention includes a temperature change estimation unit that estimates a temperature change of a semiconductor chip in which a switching element is stored based on a current value flowing through the switching element and a control signal. In the power conversion device of the present invention, when the temperature of the semiconductor chip is raised and lowered once as one power cycle based on the temperature change, until the semiconductor chip is destroyed by repeating the power cycle. It is provided with a number-of-times calculation unit for calculating the endurance of the power cycle, and a deterioration degree calculation unit for calculating the degree of deterioration of the semiconductor chip due to the repetition of the power cycle as the power cycle deterioration degree based on the withstand number of times. The temperature change estimation unit determines the temperature of the semiconductor chip in one power cycle based on the first threshold value and the temperature change, which are the threshold values for the temperature decrease allowed when the temperature of the semiconductor chip is determined to be rising. Calculate the maximum value of. The temperature change estimator unit determines the temperature of the semiconductor chip in one power cycle based on the second threshold and the temperature change, which are the thresholds for the temperature rise allowed when the temperature of the semiconductor chip is determined to be decreasing. The minimum value of is calculated , the temperature fluctuation difference in one power cycle of the semiconductor chip is calculated based on the maximum value and the minimum value, and the number calculation unit calculates the withstand number based on the temperature fluctuation difference . The temperature change estimation unit calculates the power loss generated in the switching element based on the current value flowing through the switching element and the control signal, and transient thermal resistance data indicating the time change of the thermal resistance value of the switching element and the switching element. The temperature change is calculated based on the transient thermal resistance of the switching element and the power loss calculated from the data of the first-order lag term using the thermal time constant of. The transient thermal resistance is expressed by the sum of a plurality of heat transfer functions of a plurality of first-order lag systems.
本発明にかかる電力変換装置は、精度良くパワーサイクル劣化の度合いを推定することができるという効果を奏する。 The power conversion device according to the present invention has an effect that the degree of power cycle deterioration can be estimated with high accuracy.
以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置および機械学習装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, the power conversion device and the machine learning device according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to these embodiments.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備える半導体モジュールの構成を示す図である。以下の説明では、電力変換装置がスイッチング素子(半導体スイッチング素子)を内蔵したパワー半導体モジュール(以下、半導体モジュールという)1を備えており、半導体モジュール1が、スイッチング素子として、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)およびFWD(フリーホイールダイオード:Free Wheel Diode)を備えている場合について説明する。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a semiconductor module included in the power conversion device according to the first embodiment. In the following description, the power conversion device includes a power semiconductor module (hereinafter referred to as a semiconductor module) 1 having a built-in switching element (semiconductor switching element), and the
半導体モジュール1では、回路パターン111が塗布された基板114に、半導体チップ113Aが半田110Aで半田付けされ、半導体チップ113Bが半田110Bで半田付けされている。
In the
第1のチップである半導体チップ113Aには、IGBTが格納されており、第2のチップである半導体チップ113Bには、FWDが格納されている。なお、半導体モジュール1には、複数組の半導体チップ113A,113Bが配置されてもよい。
The IGBT is stored in the
半導体モジュール1では、ワイヤ112が、回路パターン111および半導体チップ113A,113Bに超音波でボンディングされている。基板114は、ベース板115に半田110Cで半田付けされている。以下、電力変換装置の構成、電力変換装置におけるスイッチング素子の温度変化の推定方法、パワーサイクル劣化の劣化度推定方法、パワーサイクルによる半導体チップ113A,113Bの寿命(以下、パワーサイクル寿命という)の推定方法について説明する。本実施の形態の電力変換装置(後述する電力変換装置200A)は、スイッチング素子の温度変化として、スイッチング素子が格納されている半導体チップ113A,113Bの温度変化を推定する。
In the
図2は、実施の形態1にかかる電力変換装置によるパワーサイクル劣化度の推定処理の概念を説明するための図である。図2に示すグラフは、横軸が時間であり、縦軸がチップ温度である。 FIG. 2 is a diagram for explaining the concept of power cycle deterioration degree estimation processing by the power conversion device according to the first embodiment. In the graph shown in FIG. 2, the horizontal axis is time and the vertical axis is chip temperature.
本実施の形態の電力変換装置200Aは、半導体モジュール1を流れる電流に基づいて、半導体チップ113A,113Bの温度(以下、チップ温度という場合がある)を推定する。さらに、電力変換装置200Aは、チップ温度の変化に基づいて、パワーサイクルに起因するスイッチング素子の劣化度(パワーサイクル劣化度)を推定する。具体的には、電力変換装置200Aは、IGBTが格納されている半導体チップ113Aのチップ温度の変化に基づいて、IGBTのパワーサイクルに起因するパワーサイクル劣化度を推定し、FWDが格納されている半導体チップ113Bのチップ温度の変化に基づいて、FWDのパワーサイクルに起因するパワーサイクル劣化度を推定する。
The
チップ温度は、時間の経過とともに上昇と下降とを繰り返す。電力変換装置200Aは、電力変換装置200Aが起動した後、チップ温度が上昇すると、1回のパワーサイクルにおけるチップ温度の最大値(後述するチップ温度上昇の最大値ΔTjmax)を更新する。
The chip temperature repeatedly rises and falls with the passage of time. When the chip temperature rises after the
例えば、タイミングQ1までチップ温度が上昇し、その後、チップ温度が下降したとする。この場合において、電力変換装置200Aは、タイミングQ1でのチップ温度から、タイミングQ2において、特定温度(後述する上昇変化閾値X)だけチップ温度が下がると、タイミングQ1でのチップ温度を1回のパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxに設定する。
For example, suppose that the chip temperature rises until timing Q1 and then the chip temperature falls. In this case, when the chip temperature drops by a specific temperature (the rise change threshold X described later) at the timing Q2 from the chip temperature at the timing Q1, the
電力変換装置200Aは、タイミングQ2からチップ温度が下降すると、このパワーサイクルにおけるチップ温度の最小値(後述するチップ温度下降の最小値ΔTjmin)を更新する。タイミングQ2からタイミングQ3までチップ温度が下降し、その後、チップ温度が上昇したとする。この場合において、電力変換装置200Aは、タイミングQ3でのチップ温度から、タイミングQ4において、特定温度(後述する下降変化閾値Y)だけチップ温度が上がると、タイミングQ3でのチップ温度を、このパワーサイクルにおけるチップ温度下降の最小値ΔTjminに設定する。
When the chip temperature drops from the timing Q2, the
さらに、タイミングQ4からタイミングQ5までチップ温度が上昇し、その後、チップ温度が下降したとする。この場合において、電力変換装置200Aは、タイミングQ5でのチップ温度から、タイミングQ6において、特定温度だけチップ温度が下がると、タイミングQ5でのチップ温度を、このパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxに設定する。電力変換装置200Aは、各パワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxとチップ温度下降の最小値ΔTjminとを設定する処理を繰り返す。
Further, it is assumed that the chip temperature rises from timing Q4 to timing Q5, and then the chip temperature falls. In this case, when the chip temperature at the timing Q6 drops by a specific temperature from the chip temperature at the timing Q5, the
電力変換装置200Aは、タイミングQ1でのチップ温度とタイミングQ3でのチップ温度との差分、すなわち1回のパワーサイクルにおけるチップ温度の最大値と最小値との差分(後述する温度変動差ΔTj(max-min)を算出し、この差分に基づいてスイッチング素子の劣化度を推定する。このように、本実施の形態では、電力変換装置200Aの出力周波数の1周期毎ではなく、1回のパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxとチップ温度下降の最小値ΔTjminとの差分毎にスイッチング素子の劣化度を推定する処理を繰り返す。
The
電力変換装置200Aは、IGBTが格納されている半導体チップ113Aのパワーサイクル劣化度と、FWDが格納されている半導体チップ113Bのパワーサイクル劣化度とを別々に推定する。なお、IGBTとFWDが1つの半導体チップに格納されている場合、電力変換装置200Aは、IGBTおよびFWDが格納されている半導体チップのパワーサイクル劣化度を推定する。
The
このように、電力変換装置200Aは、半導体チップ113A,113Bの温度上昇時のピーク値から閾値以上下降し、温度下降時のピーク値から閾値以上上昇した場合を、パワーサイクル1回分の温度変動として算出するようにしている。これにより、電力変換装置200Aは、出力周波数の1周期中において出力電流に大きな脈動(リプル)が発生したような場合でも、このリプルに起因するスイッチング素子の損失に対応する温度変動もパワーサイクル1回分の温度変動として算出できるようになる。したがって、電力変換装置200Aは、精度良くパワーサイクル劣化の度合いを推定することができる。
In this way, the
以下の説明では、半導体チップ113Aのパワーサイクル劣化度をIGBTのパワーサイクル劣化度という場合がある。また、半導体チップ113Bのパワーサイクル劣化度をFWDのパワーサイクル劣化度という場合がある。
In the following description, the power cycle deterioration degree of the
図3は、実施の形態1にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの構成を示す図である。電力変換システムは、商用電源12と、コンバータ回路13と、平滑コンデンサ14と、電力変換装置200Aと、モータ2とを備えている。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a power conversion system including the power conversion device according to the first embodiment. The power conversion system includes a
電力変換装置200Aは、スイッチング素子に流れる電流値Iおよびスイッチング素子を制御するための制御信号SGに基づいて、スイッチング素子が格納されている半導体チップ113A,113Bの温度変化を推定する。電力変換装置200Aは、温度変化に基づいて、半導体チップ113A,113Bがパワーサイクルによって破壊されるまでのパワーサイクルの耐回数を演算し、耐回数に基づいて、パワーサイクルに起因する半導体チップ113A,113Bの劣化度を算出する。電力変換装置200Aは、半導体チップ113A,113Bの劣化度を別々に推定する。
電力変換装置200Aは、スイッチング素子を有した半導体モジュール1と、電流測定器3Aと、制御器4と、駆動信号生成部5と、温度変化推定部6とを備えている。また、電力変換装置200Aは、回数演算器7と、劣化度演算器8と、アラーム表示器9と、劣化度表示器10とを備えている。なお、アラーム表示器9および劣化度表示器10は、電力変換装置200Aとは別構成としてもよい。
The
半導体モジュール1の例は、インバータ回路である。半導体モジュール1は、平滑コンデンサ14およびコンバータ回路13を介して商用電源12に接続されている。また、半導体モジュール1は、モータ2および駆動信号生成部5に接続されている。
An example of the
電力変換システムでは、半導体モジュール1と、コンバータ回路13と、平滑コンデンサ14とでモータ駆動装置が構成されている。このモータ駆動装置は、商用電源12から交流電力の供給を受けてモータ2を駆動する。
In the power conversion system, the motor drive device is composed of the
コンバータ回路13は、商用電源12から印加される交流電圧を整流して直流電圧に変換する。コンバータ回路13の一例は、ダイオードブリッジで構成された全波整流回路である。平滑コンデンサ14は、コンバータ回路13と半導体モジュール1とを接続する2本の直流母線に接続されている。平滑コンデンサ14は、母線電圧を平滑する。
The
半導体モジュール1は、駆動信号生成部5から送られてくる駆動信号にしたがって動作する。半導体モジュール1は、平滑コンデンサ14によって平滑された直流電圧を交流電圧に変換してモータ2に印加し、モータ2を駆動する。
The
半導体モジュール1は、スイッチング素子を備えている。半導体モジュール1が備えるスイッチング素子には、IGBTおよびFWDが含まれている。半導体モジュール1では、IGBTとFWDとが逆接続されている。
The
電流測定器3Aは、半導体モジュール1とモータ2とを接続する接続線に接続されている。電流測定器3Aは、半導体モジュール1とモータ2との間を流れる電流を測定することで、スイッチング素子に流れる電流を測定する。電流測定器3Aは、測定結果である電流値Iを温度変化推定部6に送る。
The
なお、電流測定器3Aは、スイッチング素子に流れる電流が測定できればよい。したがって、電流測定器3Aの形態によって本実施の形態が限定されるものではない。電流測定器3Aは、例えば、変流器(CT:Current Transformer)、抵抗などによって構成される。
The
制御部である制御器4は、半導体モジュール1に配置されているスイッチング素子を制御するための制御信号SGを生成して駆動信号生成部5に送る。また、制御器4は、制御信号SGを温度変化推定部6に送る。The
駆動部である駆動信号生成部5は、制御信号SGに基づいて、半導体モジュール1に配置されているスイッチング素子を駆動する。駆動信号生成部5は、制御信号SGに基づいて、半導体モジュール1を駆動する駆動信号を生成し、半導体モジュール1に入力する。A driver drive
温度変化推定部6は、スイッチング素子に流れる電流の測定値である電流値Iと、制御器4から入力される制御信号SGとに基づいて、スイッチング素子の半導体チップ113A,113Bにおける温度変動差ΔTj(max-min)を推定する。温度変動差ΔTj(max-min)は、1回のパワーサイクルにおけるスイッチング素子の温度の最大値と最小値との差である。温度変化推定部6は、温度変動差ΔTj(max-min)を回数演算器7に送る。Temperature
温度変化推定部6は、電力損失演算器61と、チップ温度変化演算器62Aと、温度変化演算器63とを備えている。電力損失演算器61は、電流測定器3Aが測定した電流値Iと、制御器4から入力される制御信号SGとに基づいて、スイッチング素子に発生する電力損失を演算する。温度変化推定部6は、IGBTに発生する電力損失(後述する電力損失PIGBT)と、FWDに発生する電力損失(後述する電力損失PFWD)とを演算する。電力損失演算器61は、演算した電力損失をチップ温度変化演算器62Aに送る。図3では、電力損失演算器61がチップ温度変化演算器62Aに送る電力損失を電力損失PLossで示している。電力損失PLossは、電力損失PIGBTおよび電力損失PFWDである。The temperature
チップ温度変化演算器62Aは、スイッチング素子に発生する電力損失に基づいて、スイッチング素子を格納する半導体チップ113A,113Bのチップ温度変化を演算する。すなわち、温度変化推定部6は、IGBTのチップ温度変化ΔTjと、FWDのチップ温度変化ΔTjとを別々に演算する。IGBTのチップ温度変化ΔTjは、半導体チップ113Aにおける温度変化であり、FWDのチップ温度変化ΔTjは、半導体チップ113Bにおける温度変化である。
The chip
温度変化演算器63は、チップ温度変化ΔTjの推移に基づいて、1回のパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxと、チップ温度下降の最小値ΔTjminとの差を、温度変動差ΔTj(max-min)として演算する。温度変化演算器63は、IGBTの温度変動差ΔTj(max-min)と、FWDの温度変動差ΔTj(max-min)とを演算する。
The
回数演算部である回数演算器7は、温度変動差ΔTj(max-min)に基づいて、スイッチング素子にかかるパワーサイクル劣化を、パワーサイクルの耐回数であるパワーサイクル寿命回数Nに換算する。回数演算器7は、予め備えているパワーサイクル寿命データに基づいて、温度変動差ΔTj(max-min)に対応するパワーサイクル寿命回数Nを算出する。パワーサイクル寿命データは、温度変動差ΔTj(max-min)と、パワーサイクル寿命回数Nとが対応付けされたデータである。パワーサイクル寿命回数Nは、スイッチング素子を備えた半導体チップ113A,113Bがパワーサイクル(熱疲労)によって破壊するまでの耐回数である。回数演算器7は、IGBTのパワーサイクル寿命回数Nと、FWDのパワーサイクル寿命回数Nとを別々に演算する。回数演算器7は、パワーサイクル寿命回数Nを劣化度演算器8に送る。
Based on the temperature fluctuation difference ΔTj (max-min), the
劣化度演算部である劣化度演算器8は、換算されたパワーサイクル寿命回数Nを積算することで、スイッチング素子のパワーサイクル劣化度LP/Cを演算する。具体的には、劣化度演算器8は、パワーサイクル寿命回数Nに対して、パワーサイクル寿命に対する割合を1/Nとして算出し、算出したパワーサイクル寿命に対する割合を積算することによってパワーサイクル劣化度LP/Cを演算する。劣化度演算器8は、IGBTのパワーサイクル劣化度LP/CとFWDのパワーサイクル劣化度LP/Cとを演算する。劣化度演算器8は、パワーサイクル劣化度LP/Cをアラーム表示器9および劣化度表示器10に送る。The deterioration degree calculator 8 which is a deterioration degree calculation unit calculates the power cycle deterioration degree L P / C of the switching element by integrating the converted power cycle life count N. Specifically, the deterioration degree calculator 8 calculates the ratio to the power cycle life as 1 / N with respect to the number of power cycle life times N, and integrates the calculated ratio to the power cycle life to obtain the power cycle deterioration degree. Calculate L P / C. Degradation level computing unit 8 calculates a power cycle deterioration degree L P / C of the power cycle deterioration degree L P / C and FWD of the IGBT. The deterioration degree calculator 8 sends the power cycle deterioration degree L P / C to the
アラーム表示器9は、パワーサイクル劣化度LP/Cが基準値を超えた場合にアラームを表示する。アラーム表示器9は、予め設定しておいたアラームレベル(基準値)と、パワーサイクル劣化度LP/Cとを比較し、パワーサイクル劣化度LP/Cがアラームレベルを超えた場合にアラームを表示する。劣化度表示器10は、パワーサイクル劣化度LP/Cを表示する。パワーサイクル劣化度LP/Cは、寿命までの劣化の進行具合(%)、寿命までの期間(年)などで表される。The
なお、本実施の形態では、半導体モジュール1がスイッチング素子としてIGBTを含む場合について説明するが、スイッチング素子はIGBTに限定されない。スイッチング素子は、例えばMOSFET(電界効果トランジスタ:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)であってもよい。
In the present embodiment, the case where the
図4は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備える電力損失演算器の構成を示す図である。電力損失演算器61は、IGBT損失演算器611と、FWD損失演算器612と、信号判断器613とを備えている。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a power loss calculator included in the power conversion device according to the first embodiment. The
信号判断器613は、制御器4から入力される制御信号SGに基づいて、IGBTに発生する電力損失PIGBTの演算に必要な情報を演算して出力する。具体的には、信号判断器613は、電力損失PIGBTの演算に必要な情報として、IGBTのスイッチング周波数fcと、IGBTのデューティ比Rdutyとを演算し、IGBT損失演算器611に出力する。IGBTのデューティ比Rdutyは、IGBTがスイッチングする際の、オン状態の時間とオフ状態の時間との比である。
また、信号判断器613は、制御器4から入力される制御信号SGに基づいて、FWDに発生する電力損失PFWDの演算に必要な情報を演算して出力する。具体的には、信号判断器613は、電力損失PFWDの演算に必要な情報として、FWDのスイッチング周波数fcと、FWDのデューティ比Rdutyとを演算し、FWD損失演算器612に出力する。FWDのデューティ比Rdutyは、FWDがスイッチングする際の、オン状態の時間とオフ状態の時間との比である。The
デューティ比Rdutyは、スイッチング周波数fcの周期に対してスイッチング素子がオンないし、オフする期間を設定する値である。したがって、IGBT損失演算器611およびFWD損失演算器612は、デューティ比Rdutyと電流測定器3Aによって測定された電流値Iとに基づいて、スイッチング素子のIGBTに電流が流れている期間とFWDに電流が流れている期間とを特定することが可能である。The duty ratio R duty is a value that sets a period during which the switching element is turned on or off with respect to the period of the switching frequency fc. Therefore, the IGBT loss calculator 611 and the
IGBT損失演算器611は、電流測定器3Aから入力される電流値I、IGBTのスイッチング周波数fc、およびIGBTのデューティ比Rdutyに基づいて、スイッチング素子のうち、IGBTの電力損失PIGBTを演算する。The IGBT loss calculator 611 calculates the power loss P IGBT of the IGBT among the switching elements based on the current value I input from the
FWD損失演算器612は、IGBT損失演算器611と同様に、電流測定器3Aから入力される電流値I、FWDのスイッチング周波数fc、およびFWDのデューティ比Rdutyに基づいて、スイッチング素子のうち、FWDの電力損失PFWDを演算する。Similar to the IGBT loss calculator 611, the
このように、電力損失演算器61は、IGBT損失演算器611によってIGBTの電力損失PIGBTを算出し、FWD損失演算器612によってFWDの電力損失PFWDを算出する。In this way, the
IGBT損失演算器611は、電力損失PIGBTを、チップ温度変化演算器62Aに出力する。FWD損失演算器612は、電力損失PFWDを、チップ温度変化演算器62Aに出力する。The IGBT loss calculator 611 outputs the power loss P IGBT to the chip
図5は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備えるIGBT損失演算器の構成を示す図である。IGBT損失演算器611は、IGBT定常損失データテーブル614と、IGBTオン損失データテーブル615と、IGBTオフ損失データテーブル616と、演算器P1〜P3と、加算器A1とを備えている。 FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an IGBT loss calculator included in the power conversion device according to the first embodiment. The IGBT loss calculator 611 includes an IGBT steady loss data table 614, an IGBT on-loss data table 615, an IGBT off-loss data table 616, calculators P1 to P3, and an adder A1.
IGBT定常損失データテーブル614は、IGBTの定常時の損失特性を格納している。IGBT定常損失データテーブル614では、電流値Iと、IGBTに電流値Iが導通した場合に発生する電圧Vceとが対応付けされている。IGBT損失演算器611は、IGBT定常損失データテーブル614と、電流測定器3Aによって測定された定常時の電流値Iとに基づいて、IGBTに電流値Iが導通した場合に発生する電圧Vceを演算し、演算器P1に送る。
The IGBT steady-state loss data table 614 stores the steady-state loss characteristics of the IGBT. In the IGBT steady-state loss data table 614, the current value I and the voltage Vce generated when the current value I is conducted to the IGBT are associated with each other. The IGBT loss calculator 611 calculates the voltage Vce generated when the current value I is conducted to the IGBT based on the IGBT steady loss data table 614 and the steady current value I measured by the
IGBTオン損失データテーブル615は、IGBTのオン時の損失特性を格納している。IGBTオン損失データテーブル615では、IGBTがオフ状態からオン状態に移行する際の電流値Iと、IGBTがオフ状態からオン状態に移行する際に発生するIGBTのターンオンエネルギーEonとが対応付けされている。IGBT損失演算器611は、IGBTオン損失データテーブル615と、IGBTがオフ状態からオン状態に移行する際に発生する電流値Iとに基づいて、電流値Iに対するIGBTのターンオンエネルギーEonを演算し、演算器P2に送る。 The IGBT on-loss data table 615 stores the loss characteristics when the IGBT is on. In the IGBT on-loss data table 615, the current value I when the IGBT shifts from the off state to the on state and the turn-on energy Eon of the IGBT generated when the IGBT shifts from the off state to the on state are associated with each other. There is. The IGBT loss calculator 611 calculates the turn-on energy Eon of the IGBT with respect to the current value I based on the IGBT on-loss data table 615 and the current value I generated when the IGBT shifts from the off state to the on state. It is sent to the arithmetic unit P2.
IGBTオフ損失データテーブル616は、IGBTのオフ時の損失特性を格納している。IGBTオフ損失データテーブル616では、IGBTがオン状態からオフ状態に移行する際の電流値Iと、IGBTがオン状態からオフ状態に移行する際に発生するIGBTのターンオフエネルギーEoffとが対応付けされている。IGBT損失演算器611は、IGBTオフ損失データテーブル616と、IGBTがオン状態からオフ状態に移行する際に発生する電流値Iとに基づいて、電流値Iに対するIGBTのターンオフエネルギーEoffを演算し、演算器P3に送る。 The IGBT off loss data table 616 stores the loss characteristics when the IGBT is off. In the IGBT off loss data table 616, the current value I when the IGBT shifts from the on state to the off state and the IGBT turn-off energy Off generated when the IGBT shifts from the on state to the off state are associated with each other. There is. The IGBT loss calculator 611 calculates the IGBT turn-off energy Off with respect to the current value I based on the IGBT off-loss data table 616 and the current value I generated when the IGBT shifts from the on state to the off state. It is sent to the arithmetic unit P3.
演算器P1は、IGBTの定常時の電流値Iと、電圧Vceと、IGBTのデューティ比Rdutyと、第1係数K1とを掛け合わせて、加算器A1に送る。The arithmetic unit P1 multiplies the current value I of the IGBT in a steady state, the voltage Vce, the duty ratio R duty of the IGBT, and the first coefficient K1 and sends it to the adder A1.
演算器P2は、IGBTのターンオンエネルギーEonと、IGBTのスイッチング周波数fcと、第2係数K2とを掛け合わせて、加算器A1に送る。 The arithmetic unit P2 multiplies the turn-on energy Eon of the IGBT, the switching frequency fc of the IGBT, and the second coefficient K2, and sends them to the adder A1.
演算器P3は、IGBTのターンオフエネルギーEoffと、IGBTのスイッチング周波数fcと、第3係数K3とを掛け合わせて、加算器A1に送る。 The arithmetic unit P3 multiplies the turn-off energy Off of the IGBT, the switching frequency fc of the IGBT, and the third coefficient K3, and sends the result to the adder A1.
加算器A1は、演算器P1,P2,P3から送られてきた値を加算することで、IGBTの電力損失PIGBTを算出する。すなわち、IGBT損失演算器611は、IGBTの電力損失PIGBTを、以下の式(1)によって計算する。The adder A1 calculates the power loss P IGBT of the IGBT by adding the values sent from the arithmetic units P1, P2, and P3. That is, the IGBT loss calculator 611 calculates the power loss PIGBT of the IGBT by the following equation (1).
ここで、第1係数K1、第2係数K2、および第3係数K3は、正の符号をもつ値であれば、何れも任意の値を設定可能とする。加算器A1は、IGBTの電力損失PIGBTをチップ温度変化演算器62Aに出力する。Here, any value can be set for the first coefficient K1, the second coefficient K2, and the third coefficient K3 as long as they have a positive sign. The adder A1 outputs the power loss power of the IGBT to the chip
図6は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備えるFWD損失演算器の構成を示す図である。FWD損失演算器612は、FWD定常損失データテーブル617と、FWDリカバリー損失データテーブル618と、演算器P4,P5と、加算器A2とを備えている。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an FWD loss calculator included in the power conversion device according to the first embodiment. The
FWD定常損失データテーブル617は、FWDの定常時の損失特性を格納している。FWD定常損失データテーブル617では、電流値Iと、FWDに電流値Iが導通した場合に発生する電圧Vfとが対応付けされている。FWD損失演算器612は、FWD定常損失データテーブル617と、電流測定器3Aによって測定された定常時の電流値Iとに基づいて、FWDに電流値Iが導通した場合に発生する電圧Vfを演算し、演算器P4に送る。
The FWD steady-state loss data table 617 stores the steady-state loss characteristics of the FWD. In the FWD steady-state loss data table 617, the current value I and the voltage Vf generated when the current value I is conducted to the FWD are associated with each other. The
FWDリカバリー損失データテーブル618は、FWDのリカバリーの損失特性を格納している。FWDリカバリー損失データテーブル618では、電流値Iと、電流値Iに対するFWDのリカバリー特性によって発生するFWDのターンオンエネルギーErecとが対応付けされている。FWD損失演算器612は、FWDリカバリー損失データテーブル618と、電流測定器3Aによって測定されたリカバリー時の電流値Iとに基づいて、リカバリー時の電流値Iに対するFWDのターンオンエネルギーErecを演算し、演算器P5に送る。
The FWD recovery loss data table 618 stores the FWD recovery loss characteristics. In the FWD recovery loss data table 618, the current value I and the turn-on energy Erec of the FWD generated by the recovery characteristic of the FWD with respect to the current value I are associated with each other. The
演算器P4は、FWDの定常時の電流値Iと、電圧Vfと、FWDのデューティ比Rdutyと、第4係数K4とを掛け合わせて、加算器A2に送る。The arithmetic unit P4 multiplies the current value I of the FWD at a steady state, the voltage Vf, the duty ratio R duty of the FWD, and the fourth coefficient K4, and sends them to the adder A2.
演算器P5は、FWDのターンオンエネルギーErecと、FWDのスイッチング周波数fcと、第5係数K5とを掛け合わせて、加算器A2に送る。 The arithmetic unit P5 multiplies the turn-on energy Erec of the FWD, the switching frequency fc of the FWD, and the fifth coefficient K5, and sends them to the adder A2.
加算器A2は、演算器P4,P5から送られてきた値を加算することで、FWDの電力損失PFWDを算出する。すなわち、FWD損失演算器612は、FWDの電力損失PFWDを、以下の式(2)によって計算する。The adder A2 calculates the power loss P FWD of the FWD by adding the values sent from the arithmetic units P4 and P5. That is, the
ここで、第4係数K4および第5係数K5は、正の符号をもつ値であれば、何れも任意の値を設定可能とする。加算器A2は、FWDの電力損失PFWDをチップ温度変化演算器62Aに出力する。Here, the fourth coefficient K4 and the fifth coefficient K5 can be set to any value as long as they have a positive sign. The adder A2 outputs the power loss P FWD of the FWD to the chip
チップ温度変化演算器62Aは、IGBTの過渡熱抵抗Rth(t)のデータとFWDの過渡熱抵抗Rth(t)のデータとを格納している。過渡熱抵抗Rth(t)のデータは、スイッチング素子の熱抵抗値の時間変化を示すデータである。
The chip
チップ温度変化演算器62Aは、IGBTの過渡熱抵抗Rth(t)のデータと、電力損失演算器61によって算出された電力損失PIGBTとに基づいて、IGBTを格納する半導体チップ113Aのチップ温度変化ΔTjを演算する。チップ温度変化演算器62Aは、FWDの過渡熱抵抗Rth(t)のデータと、電力損失演算器61によって算出された電力損失PFWDとに基づいて、FWDを格納する半導体チップ113Bのチップ温度変化ΔTjを演算する。チップ温度変化演算器62Aは、IGBTのチップ温度変化ΔTjおよびFWDのチップ温度変化ΔTjを温度変化演算器63に出力する。The chip
図7は、スイッチング素子の熱抵抗値の時間変化を説明するための模式図である。図7では、スイッチング素子の熱抵抗値と、時間との関係、すなわち過渡熱抵抗Rth(t)のデータを示している。図7の横軸が時間であり、縦軸が熱抵抗値である。 FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the time change of the thermal resistance value of the switching element. FIG. 7 shows the relationship between the thermal resistance value of the switching element and time, that is, the data of the transient thermal resistance Rth (t). The horizontal axis of FIG. 7 is time, and the vertical axis is the thermal resistance value.
図7に示すように、スイッチング素子の熱抵抗値は、時間経過に伴って変化するものであり一定値ではない。時間経過に対応する熱抵抗が、過渡熱抵抗Rth(t)である。 As shown in FIG. 7, the thermal resistance value of the switching element changes with the passage of time and is not a constant value. The thermal resistance corresponding to the passage of time is the transient thermal resistance Rth (t).
図8は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の構成を示す図である。チップ温度変化演算器62Aは、熱抵抗データRthと、スイッチング素子の熱時定数を用いた一次遅れ項1/sτのデータを備えており、これらの和によって、一次遅れ系の熱伝達関数で過渡熱抵抗を表現する。ここで、一次遅れ系の熱伝達関数は、熱抵抗(Rth)、熱時定数(τ)、ラプラス演算子(s)を用いて、以下の式(3)で表される。なお、実際の過渡熱抵抗Rth(t)は、図7に示したように、最初は緩やかに増大していき、その後、急峻に増大し、最終的に一定値へと飽和していく。
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a chip temperature change calculator included in the power conversion device according to the first embodiment. The chip
チップ温度変化演算器62Aは、電力損失演算器61によって算出された、スイッチング素子に発生する電力損失PLossと式(3)に基づく過渡熱抵抗Rth(t)とを用いて、チップ温度変化ΔTjを算出する。チップ温度変化ΔTjの算出方法については、後述する。The chip
図9は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の別構成例を示す図である。温度変化推定部6には、チップ温度変化演算器62Aの代わりに、チップ温度変化演算器62Bが配置されてもよい。図9では、過渡熱抵抗Rth(t)を高精度に模擬する際に適用されるチップ温度変化演算器62Bの構成を示している。
FIG. 9 is a diagram showing another configuration example of the chip temperature change calculator included in the power conversion device according to the first embodiment. The chip temperature change calculator 62B may be arranged in the temperature
チップ温度変化演算器62Bは、複数の一次遅れ系の複数の熱伝達関数の和で過渡熱抵抗Rth(t)を表現する。図9では、第1の熱抵抗データを熱抵抗データRth1で示し、第k(kは2以上の自然数)の熱抵抗データを熱抵抗データRthkで示している。また、図9では、第1の熱時定数τをτ1で示し、第kの熱時定数τをτkで示している。チップ温度変化演算器62Bでは、第1から第kの一次遅れ系の熱伝達関数の和で過渡熱抵抗Rth(t)を表現するので、過渡熱抵抗Rth(t)を詳細に表現することが可能となる。チップ温度変化演算器62Bの場合、過渡熱抵抗Rth(t)は、以下の式(4)で表される。 The chip temperature change calculator 62B expresses the transient thermal resistance Rth (t) by summing a plurality of heat transfer functions of a plurality of first-order lag systems. In FIG. 9, the first thermal resistance data is shown by the thermal resistance data Rth1, and the thermal resistance data of the kth (k is a natural number of 2 or more) is shown by the thermal resistance data Rthk. Further, in FIG. 9, the first thermal time constant τ is indicated by τ1, and the kth thermal time constant τ is indicated by τk. In the chip temperature change calculator 62B, the transient thermal resistance Rth (t) is expressed by the sum of the heat transfer functions of the first-order lag systems of the first to kth, so that the transient thermal resistance Rth (t) can be expressed in detail. It will be possible. In the case of the chip temperature change calculator 62B, the transient thermal resistance Rth (t) is represented by the following equation (4).
式(4)において合算する熱伝達関数を増やすことで、高精度な過渡熱抵抗Rth(t)を表現することが可能となる。 By increasing the heat transfer function to be added up in the equation (4), it is possible to express the transient thermal resistance Rth (t) with high accuracy.
チップ温度変化演算器62Aは、電力損失演算器61によって算出された、スイッチング素子に発生する電力損失PLossと式(3)に基づく過渡熱抵抗Rth(t)とを用いて、以下の式(5)によってチップ温度変化ΔTjを算出することができる。The chip
なお、チップ温度変化演算器62Bが、電力損失演算器61によって算出された、スイッチング素子に発生する電力損失PLossと式(4)に基づく過渡熱抵抗Rth(t)とを用いて、以下の式(5)によってチップ温度変化ΔTjを算出してもよい。The chip temperature change calculator 62B uses the power loss P Loss generated in the switching element calculated by the
式(5)におけるPLossは、電力損失PIGBTまたは電力損失PFWDである。式(5)を用いて、チップ温度変化演算器62A,62Bの動作を具体的に説明する。なお、チップ温度変化演算器62A,62Bの動作は同様であるので、以下ではチップ温度変化演算器62Aの動作について説明する。P Loss in the formula (5) is a power loss P IGBT or a power loss P FWD . The operation of the chip
チップ温度変化演算器62Aは、IGBTの過渡熱抵抗Rth(t)_IGBTと、IGBTの電力損失PIGBTと、以下の式(6)とを用いて、IGBTのチップ温度変化ΔTj_IGBTを計算する。The chip
また、チップ温度変化演算器62Aは、FWDの過渡熱抵抗Rth(t)_FWDと、FWDの電力損失PFWDと、以下の式(7)とを用いて、FWDのチップ温度変化ΔTj_FWDを計算する。Further, the chip
チップ温度変化演算器62Aは、式(5)における電力損失PLossをIGBTの電力損失PIGBTないしFWDの電力損失PFWDと置換する。また、チップ温度変化演算器62Aは、式(5)における過渡熱抵抗Rth(t)をIGBTの過渡熱抵抗Rth(t)_IGBTないしFWDの過渡熱抵抗Rth(t)_FWDに置換する。これらの置換により、チップ温度変化演算器62Aは、IGBTのチップ温度変化ΔTj_IGBT、およびFWDのチップ温度変化ΔTj_FWDのそれぞれを算出し、温度変化演算器63に出力することができる。Chip temperature
ただし、本実施の形態は、IGBTのチップ温度変化ΔTj_IGBTまたはFWDのチップ温度変化ΔTj_FWDの何れかを選択して出力することを制限するものではない。例えば、チップ温度変化演算器62Aが、式(6)に基づいて計算した結果をチップ温度変化ΔTj_IGBTとして出力することにより、電力変換装置200Aは、IGBTのみのパワーサイクル寿命を推定することも可能である。
However, this embodiment does not limit the selection and output of either the chip temperature change ΔTj_IGBT of the IGBT or the chip temperature change ΔTj_FWD of the FWD. For example, the
図3に戻って温度変化演算器63について説明する。温度変化演算器63は、チップ温度変化演算器62Aから入力されたチップ温度変化ΔTjに基づいて、スイッチング素子の温度変動差ΔTj(max-min)を算出する。
Returning to FIG. 3, the
図10は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備える温度変化演算器の構成を示す図である。温度変化演算器63は、上昇最大値計算部631と、上昇変化閾値格納部632と、下降最小値計算部633と、下降変化閾値格納部634と、変動差計算部635とを備える。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a temperature change calculator included in the power conversion device according to the first embodiment. The
上昇変化閾値格納部632は、第1の閾値である上昇変化閾値Xを格納しており、上昇最大値計算部631から上昇変化閾値Xが読み出される。上昇変化閾値Xは、チップ温度が上昇している時に、チップ温度が最大値であるか否かを判定するための閾値である。具体的には、上昇変化閾値Xは、半導体チップ113A,113Bが温度上昇していると判断される際に許容される温度下降の閾値である。上昇変化閾値格納部632は、半導体チップ113Aの上昇変化閾値Xと、半導体チップ113Bの上昇変化閾値Xとを格納している。
The ascending / changing threshold
上昇最大値計算部631は、チップ温度が上昇している時に、チップ温度が、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度の最大値から上昇変化閾値Xよりも多く下がると、このパワーサイクルにおけるチップ温度の最大値を、現在のチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxに設定する。例えば、現在のチップ温度の最大値がT1であり、上昇変化閾値XがT2である場合、チップ温度がT1−T2よりも下がると、上昇最大値計算部631は、このパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxはT1であると判定する。
When the chip temperature is rising, the maximum rise
一方、上昇最大値計算部631は、チップ温度が上昇している時に、チップ温度が、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度の最大値から上昇変化閾値Xの範囲内にしか下がらない場合は、チップ温度の下降が誤差範囲内であると判定する。この場合、上昇最大値計算部631は、チップ温度が上昇中であると判断し、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxを更新する。
On the other hand, when the chip temperature is rising, the maximum rise
このように、上昇最大値計算部631は、上昇変化閾値格納部632に格納されている上昇変化閾値Xに基づいて、チップ温度上昇の最大値ΔTjmaxを計算し、変動差計算部635に出力する。このチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxが、スイッチング素子のチップ温度上昇時のピーク値(極大値)となる。
In this way, the maximum rise
チップ温度上昇の最大値ΔTjmaxは、1回のパワーサイクルにおける半導体チップ113A,113Bの温度の最大値である。上昇最大値計算部631は、半導体チップ113Aにおけるチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxと、半導体チップ113Bにおけるチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxとを計算する。
The maximum value ΔTjmax of the chip temperature rise is the maximum value of the temperatures of the
同様に、下降変化閾値格納部634は、第2の閾値である下降変化閾値Yを格納しており、下降最小値計算部633から下降変化閾値Yが読み出される。下降変化閾値Yは、チップ温度が下降している時に、チップ温度が最小値であるか否かを判定するための閾値である。具体的には、下降変化閾値Yは、半導体チップ113A,113Bが温度下降していると判断される際に許容される温度上昇の閾値である。下降変化閾値格納部634は、半導体チップ113Aの下降変化閾値Yと、半導体チップ113Bの下降変化閾値Yとを格納している。
Similarly, the downward change
下降最小値計算部633は、チップ温度が下降している時に、チップ温度が、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度下降の最小値ΔTjminから下降変化閾値Yよりも多く上がると、このパワーサイクルにおけるチップ温度の最小値を、チップ温度下降の最小値ΔTjminに設定する。例えば、現在のチップ温度の最小値がT3であり、下降変化閾値YがT4である場合、チップ温度がT3+T4よりも上がると、下降最小値計算部633は、このパワーサイクルにおけるチップ温度下降の最小値ΔTjminはT3であると判定する。
When the chip temperature rises from the minimum value ΔTjmin of the chip temperature decrease in the current power cycle by more than the decrease change threshold Y when the chip temperature is decreasing, the decrease minimum
一方、下降最小値計算部633は、チップ温度が下降している時に、チップ温度が、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度の最小値から下降変化閾値Yの範囲内にしか上がらない場合は、チップ温度の上昇が誤差範囲内であると判定する。この場合、下降最小値計算部633は、チップ温度が下降中であると判断し、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度下降の最小値ΔTjminを更新する。
On the other hand, when the chip temperature is decreasing, the decrease minimum
このように、下降最小値計算部633は、下降変化閾値格納部634に格納されている下降変化閾値Yに基づいて、チップ温度下降の最小値ΔTjminを計算し、変動差計算部635に出力する。このチップ温度下降の最小値ΔTjminが、スイッチング素子のチップ温度下降時のピーク値(極小値)となる。
In this way, the downward minimum
チップ温度下降の最小値ΔTjminは、1回のパワーサイクルにおける半導体チップ113A,113Bの温度の最小値である。下降最小値計算部633は、半導体チップ113Aにおけるチップ温度下降の最小値ΔTjminと、半導体チップ113Bにおけるチップ温度下降の最小値ΔTjminとを計算する。
The minimum value ΔTjmin of the chip temperature drop is the minimum value of the temperatures of the
変動差計算部635は、チップ温度の変動差を計算する。すなわち、変動差計算部635は、ΔTjmaxとΔTjminとの差である、温度変動差ΔTj(max-min)を計算する。変動差計算部635は、温度変動差ΔTj(max-min)を回数演算器7に送る。
The fluctuation
図11は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備える上昇最大値計算部の構成を示す図である。上昇最大値計算部631は、上昇判断部636と、上昇比較部637と、最大値記憶部M1とを備えている。
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a maximum increase value calculation unit included in the power conversion device according to the first embodiment. The increase maximum
最大値記憶部M1は、上昇判断部636から送られてくる、チップ温度上昇の最大値ΔTjmaxを記憶する。上昇判断部636は、チップ温度変化演算器62Aから入力されたチップ温度変化ΔTjに基づいて、半導体チップ113A,113Bのチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxを更新する。上昇判断部636は、新たに入力されたチップ温度変化ΔTjの方が最大値記憶部M1に格納されているチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxよりも大きい値である場合、チップ温度上昇の最大値ΔTjmaxを新たに入力されたチップ温度変化ΔTjの値で更新する。この場合、上昇判断部636は、チップ温度変化演算器62Aから入力されたチップ温度変化ΔTjを上昇比較部637に送る。
The maximum value storage unit M1 stores the maximum value ΔTjmax of the chip temperature rise sent from the
上昇比較部637は、最大値記憶部M1に格納されているチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxと、上昇変化閾値格納部632から入力された上昇変化閾値Xとの差であるΔTjmax−Xを算出する。また、上昇比較部637は、ΔTj<ΔTjmax−Xであるか否かを判断し、ΔTj<ΔTjmax−Xである場合には、チップ温度上昇の最大値ΔTjmaxを変動差計算部635に出力する。ΔTj≧ΔTjmax−Xである場合、上昇判断部636によるチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxの更新処理が継続される。
The
図12は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備える上昇最大値計算部の動作処理手順を示すフローチャートである。上昇最大値計算部631は、チップ温度変化演算器62Aからチップ温度変化ΔTjを受付けて上昇判断部636に入力する(ステップS10)。
FIG. 12 is a flowchart showing an operation processing procedure of the maximum increase value calculation unit included in the power conversion device according to the first embodiment. The maximum rise
上昇判断部636は、最大値記憶部M1に格納されているチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxと、新たに入力されたチップ温度変化ΔTjとを比較する。上昇判断部636は、ΔTj>ΔTjmaxであるか否かを判断する(ステップS20)。すなわち、上昇判断部636は、新たに入力されたチップ温度変化ΔTjが、格納されているチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxよりも大きい値であるか否かを判断する。
The
上昇判断部636が、ΔTj>ΔTjmaxであると判断した場合(ステップS20、Yes)、上昇判断部636は、チップ温度上昇の最大値ΔTjmaxを、新たに入力されたチップ温度変化ΔTjの値で更新する(ステップS30)。この場合、上昇判断部636は、更新した新たな最大値ΔTjmaxを最大値記憶部M1に格納する。上昇最大値計算部631は、ステップS30の処理の後、ステップS20の処理に戻る。
When the
ΔTj>ΔTjmaxである間は、上昇判断部636が、最大値ΔTjmaxの更新を継続する。したがって、スイッチング素子のチップ温度が上昇している場合には、チップ温度上昇の最大値ΔTjmaxが、入力されたチップ温度変化ΔTjで常に更新されることとなる。
While ΔTj> ΔTjmax, the ascending
上昇判断部636が、ΔTj≦ΔTjmaxであると判断した場合(ステップS20、No)、上昇判断部636は、入力されたチップ温度変化ΔTjを上昇比較部637に入力する。すなわち、上昇判断部636が、新たに入力されたチップ温度変化ΔTjがチップ温度上昇の最大値ΔTjmax以下の値であると判断した場合、チップ温度変化ΔTjを上昇比較部637に入力する。
When the ascending
上昇比較部637は、最大値記憶部M1に格納されているチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxと、上昇変化閾値格納部632から入力された上昇変化閾値Xとの差であるΔTjmax−Xを算出する。上昇比較部637は、ΔTjmax−Xと、入力されたチップ温度変化ΔTjとを比較する。
The
上昇比較部637は、ΔTj<ΔTjmax−Xであるか否かを判断する(ステップS40)。すなわち、上昇比較部637は、入力されたチップ温度変化ΔTjが、ΔTjmax−Xよりも小さな値であるか否かを判断する。
The ascending
上昇比較部637が、ΔTj≧ΔTjmax−Xであると判断した場合(ステップS40、No)、上昇最大値計算部631は、ステップS20の処理に戻り、ステップS20からS40の処理を実行する。
When the ascending
上昇比較部637が、ΔTj<ΔTjmax−Xであると判断した場合(ステップS40、Yes)、上昇比較部637は、現在のチップ温度上昇の最大値ΔTjmaxを変動差計算部635に出力する(ステップS50)。
When the
このように、上昇最大値計算部631は、チップ温度変化演算器62Aから入力されたチップ温度変化ΔTjが、チップ温度上昇の最大値ΔTjmaxから上昇変化閾値Xよりも多く低下した場合にΔTjmaxを出力する。この後、上昇最大値計算部631は、ステップS20の処理に戻り、ステップS20からS50の処理を繰り返す。
In this way, the maximum rise
図13は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備える下降最小値計算部の構成を示す図である。下降最小値計算部633は、下降判断部638と、下降比較部639と、最小値記憶部M2とを備えている。
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a downward minimum value calculation unit included in the power conversion device according to the first embodiment. The descending minimum
最小値記憶部M2は、下降判断部638から送られてくるチップ温度下降の最小値ΔTjminを記憶する。下降判断部638は、チップ温度変化演算器62Aから入力されたチップ温度変化ΔTjに基づいて、半導体チップ113A,113Bのチップ温度下降の最小値ΔTjminを更新する。下降判断部638は、新たに入力されたチップ温度変化ΔTjの方が格納されているチップ温度下降の最小値ΔTjminよりも小さい値である場合、チップ温度下降の最小値ΔTjminを新たに入力されたチップ温度変化ΔTjの値で更新する。この場合、下降判断部638は、チップ温度変化演算器62Aから入力されたチップ温度変化ΔTjを下降比較部639に送る。
The minimum value storage unit M2 stores the minimum value ΔTjmin of the chip temperature decrease sent from the
下降比較部639は、最小値記憶部M2に格納されているチップ温度下降の最小値ΔTjminと、下降変化閾値格納部634から入力された下降変化閾値Yとの差であるΔTjmin+Yを算出する。また、下降比較部639は、ΔTj>ΔTjmin+Yであるか否かを判断し、ΔTj>ΔTjmin+Yである場合には、チップ温度下降の最小値ΔTjminを変動差計算部635に出力する。ΔTj≦ΔTjmin+Yである場合、下降判断部638によるチップ温度下降の最小値ΔTjminの更新処理が継続される。
The descending
図14は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備える下降最小値計算部の動作処理手順を示すフローチャートである。下降最小値計算部633は、チップ温度変化演算器62Aからチップ温度変化ΔTjを受付けて下降判断部638に入力する(ステップS110)。
FIG. 14 is a flowchart showing an operation processing procedure of the descending minimum value calculation unit included in the power conversion device according to the first embodiment. The lowering minimum
下降判断部638は、最小値記憶部M2に格納されているチップ温度下降の最小値ΔTjminと、新たに入力されたチップ温度変化ΔTjとを比較する。下降判断部638は、ΔTj<ΔTjminであるか否かを判断する(ステップS120)。すなわち、下降判断部638は、新たに入力されたチップ温度変化ΔTjが、格納されているチップ温度下降の最小値ΔTjminよりも小さい値であるか否かを判断する。
The lowering
下降判断部638が、ΔTj<ΔTjminであると判断した場合(ステップS120、Yes)、下降判断部638は、チップ温度下降の最小値ΔTjminを、新たにを入力されたチップ温度変化ΔTjの値で更新する(ステップS130)。この場合、下降判断部638は、更新した新たな最小値ΔTjminを最小値記憶部M2に格納する。下降最小値計算部633は、ステップS130の処理の後、ステップS120の処理に戻る。
When the lowering
ΔTj<ΔTjminである間は、下降判断部638が、最小値ΔTjminの更新を継続する。したがって、スイッチング素子のチップ温度が下降している場合には、チップ温度下降の最小値ΔTjminが、入力されたチップ温度変化ΔTjで常に更新されることとなる。
While ΔTj <ΔTjmin, the descending
下降判断部638が、ΔTj≧ΔTjminであると判断した場合(ステップS120、No)、下降判断部638は、入力されたチップ温度変化ΔTjを下降比較部639に入力する。すなわち、下降判断部638が、新たに入力されたチップ温度変化ΔTjがチップ温度下降の最小値ΔTjmin以下の値であると判断した場合、チップ温度変化ΔTjを下降比較部639に入力する。
When the lowering
下降比較部639は、最小値記憶部M2に格納されているチップ温度下降の最小値ΔTjminと、下降変化閾値格納部634から入力された下降変化閾値Yとの和であるΔTjmin+Yを算出する。下降比較部639は、ΔTjmin+Yと、入力されたチップ温度変化ΔTjとを比較する。
The descending
下降比較部639は、ΔTj>ΔTjmin+Yであるか否かを判断する(ステップS140)。すなわち、下降比較部639は、入力されたチップ温度変化ΔTjが、ΔTjmin+Yよりも大きな値であるか否かを判断する。
The descending
下降比較部639が、ΔTj≦ΔTjmin+Yであると判断した場合(ステップS140、No)、下降最小値計算部633は、ステップS120の処理に戻り、ステップS120からS140の処理を実行する。
When the descending
下降比較部639が、ΔTj>ΔTjmin+Yであると判断した場合(ステップS140、Yes)、下降比較部639は、現在のチップ温度下降の最小値ΔTjminを変動差計算部635に出力する(ステップS150)。
When the descending
このように、下降最小値計算部633は、チップ温度変化演算器62Aから入力されたチップ温度変化ΔTjが、チップ温度下降の最小値ΔTjminから下降変化閾値Yよりも多く上昇した場合にΔTjminを出力する。この後、下降最小値計算部633は、ステップS120の処理に戻り、ステップS120からS150の処理を繰り返す。
In this way, the lowering minimum
なお、温度変化演算器63において、上昇変化閾値Xと下降変化閾値Yとは同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。
In the
ところで、温度変化演算器63が算出する温度変動差ΔTj(max-min)において、電力変換装置200Aに期待する寿命に対してパワーサイクル劣化度LP/Cが非常に小さく影響が極めて少ないチップ温度変化の範囲が除外されるよう、上昇変化閾値Xが設定されることが望ましい。By the way, in the temperature fluctuation difference ΔTj (max-min) calculated by the
例えば、スイッチング素子の電力損失PLossが同じである場合、熱抵抗が大きな値となるスイッチング素子の場合は、熱抵抗が小さなスイッチング素子と比較して、チップ温度変化ΔTjの変動が大きくなることは自明である。したがって、スイッチング素子の損失の算出結果に意図しないノイズが流入すると、温度変動差ΔTj(max-min)の算出値に誤差が発生する可能性がある。この誤差が経年によってパワーサイクル劣化度LP/Cに大きな影響を与えた場合、電力変換装置200Aに期待する寿命よりも短い期間でパワーサイクル寿命に達すると誤認識してしまう可能性がある。For example, when the power loss P Loss of a switching element is the same, in the case of a switching element having a large thermal resistance, the fluctuation of the chip temperature change ΔTj becomes larger than that of a switching element having a small thermal resistance. It is self-evident. Therefore, if unintended noise flows into the calculation result of the loss of the switching element, an error may occur in the calculated value of the temperature fluctuation difference ΔTj (max-min). If this error has a large effect on the power cycle deterioration degree L P / C over time, it may be erroneously recognized that the power cycle life is reached in a period shorter than the life expected of the
一方、本実施の形態の電力変換装置200Aには、チップ温度上昇の最大値ΔTjmaxないしチップ温度下降の最小値ΔTjminに対する閾値(上昇変化閾値X、下降変化閾値Y)が設けられている。したがって、電力変換装置200Aは、閾値以内のチップ温度変化に対しては温度変動差ΔTj(max-min)として算出しないので、上述した誤認識を防止することが可能となる。
On the other hand, the
図15は、スイッチング素子の温度変動差に対するパワーサイクル寿命回数を説明するための模式図である。図15では、スイッチング素子の温度変動差ΔTj(max-min)と、パワーサイクル寿命回数Nとの関係であるパワーサイクル寿命データを示している。図15の横軸が温度変動差ΔTj(max-min)であり、縦軸がパワーサイクル寿命回数Nである。 FIG. 15 is a schematic diagram for explaining the number of power cycle lifes with respect to the temperature fluctuation difference of the switching element. FIG. 15 shows the power cycle life data which is the relationship between the temperature fluctuation difference ΔTj (max-min) of the switching element and the power cycle life number N. The horizontal axis of FIG. 15 is the temperature fluctuation difference ΔTj (max-min), and the vertical axis is the number of power cycle life times N.
図15に示すように、スイッチング素子の温度変動差ΔTj(max-min)が大きくなるにつれて、スイッチング素子の耐回数であるパワーサイクル寿命回数Nは少なくなっている。 As shown in FIG. 15, as the temperature fluctuation difference ΔTj (max-min) of the switching element increases, the power cycle life number N, which is the withstand number of times of the switching element, decreases.
回数演算器7は、図15に示したパワーサイクル寿命データを保持しておき、パワーサイクル寿命データを用いて、温度変動差ΔTj(max-min)に対応するパワーサイクル寿命回数Nを算出する。回数演算器7は、劣化度演算器8にパワーサイクル寿命回数Nを送る。
The
回数演算器7は、例えば温度変化毎にパワーサイクル寿命データのデータテーブルを保持しておき、温度変化毎に、温度変動差ΔTj(max-min)をパワーサイクル寿命回数Nに換算する。例えば、回数演算器7は、温度変動差ΔTj(max-min)=Aの時、N=Bといった、パワーサイクル寿命データのデータテーブルを保持しておくことで、算出した温度変動差ΔTj(max-min)に対するパワーサイクル寿命回数Nを求めることができる。
The
なお、回数演算器7は、パワーサイクル寿命データの近似式を格納しておき、パワーサイクル寿命データの近似式を用いて、温度変動差ΔTj(max-min)に対するパワーサイクル寿命回数Nを算出してもよい。パワーサイクル寿命データの近似式は、温度変動差ΔTj(max-min)をパワーサイクル寿命回数Nに近似する式である。
The
スイッチング素子を備えた半導体チップ113A,113Bに温度変化が生じると、半導体チップ113A,113Bの線膨張係数とワイヤ112の線膨張係数との差によって、ボンディング界面に剪断歪が生じる。半導体チップ113A,113Bへの熱ストレスの繰り返しによってボンディング界面の亀裂が進行すると、ワイヤ112が剥がれ、残ったワイヤ112に電流が集中するので半導体チップ113A,113Bが劣化し、破壊に至る。半導体チップ113A,113Bを使用する際の温度上昇が大きいほどボンディング界面に加わる剪断歪が大きくなり、パワーサイクル劣化の進行を加速させる。したがって、パワーサイクル劣化度合は、半導体チップ113A,113Bの温度変化と、その温度変化のサイクル数とによって決まる。
When a temperature change occurs in the
例えば、電力変換装置への入力電流または出力電流の電流値と閾値とを比較することで、電力変換装置が運転状態であるか停止状態であるかを判定する方法がある。この方法では、運転状態におけるスイッチング素子の温度上昇値と、停止状態におけるスイッチング素子の温度下降値と、からスイッチング素子の温度変動幅が推定され、温度変動幅からパワーサイクル劣化度が推定されている。この方法の場合、閾値を上回る電流値が、時間経過に伴って上昇し、その後、当初の閾値を上回る電流値に戻る場合の温度変動を考慮できない。同様に、閾値を下回る電流値が、時間経過に伴って下降し、その後、当初の閾値を下回る電流値に戻る場合の温度変動は考慮できない。すなわち、閾値を跨がないような温度変動に対してはパワーサイクル劣化が考慮されない。このため、パワーサイクル劣化度の推定精度が悪くなる。この場合、考慮できないパワーサイクル劣化分を見込んで、パワーサイクル寿命の長いスイッチング素子を適用する必要があるので、電力変換装置の製造コストが増大する。 For example, there is a method of determining whether the power conversion device is in the operating state or the stopped state by comparing the current value of the input current or the output current to the power conversion device with the threshold value. In this method, the temperature fluctuation range of the switching element is estimated from the temperature rise value of the switching element in the operating state and the temperature drop value of the switching element in the stopped state, and the power cycle deterioration degree is estimated from the temperature fluctuation range. .. In the case of this method, the temperature fluctuation when the current value exceeding the threshold value increases with the passage of time and then returns to the current value exceeding the initial threshold value cannot be considered. Similarly, temperature fluctuations in the case where the current value below the threshold value decreases with the passage of time and then returns to the current value below the initial threshold value cannot be considered. That is, power cycle deterioration is not considered for temperature fluctuations that do not cross the threshold. Therefore, the estimation accuracy of the power cycle deterioration degree is deteriorated. In this case, since it is necessary to apply a switching element having a long power cycle life in anticipation of a power cycle deterioration that cannot be taken into consideration, the manufacturing cost of the power conversion device increases.
一方、本実施の形態の電力変換装置200Aは、1回のパワーサイクルにおける温度変動差ΔTj(max-min)に基づいて、パワーサイクル劣化度LP/Cを推定するので、正確にパワーサイクル劣化度LP/Cを推定することができる。したがって、必要以上にパワーサイクル寿命の長いスイッチング素子を適用する必要がなく、電力変換装置200Aの製造コストを抑制することができる。On the other hand, the
ここで、実施の形態1に係る電力変換装置200Aの変形例について説明する。電力変換装置200Aでは、電流測定器3Aが接続される場所は、半導体モジュール1とモータ2の間に限られない。
Here, a modified example of the
図16は、実施の形態1にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの他の構成例を示す図である。図16の各構成要素のうち図3に示す電力変換装置200Aと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。
FIG. 16 is a diagram showing another configuration example of a power conversion system including the power conversion device according to the first embodiment. Of the components of FIG. 16, the components that achieve the same functions as the
電力変換装置200Bでは、電流測定器3Bが、半導体モジュール1の下側のスイッチング素子のエミッタ側に接続されることによって、スイッチング素子に流れる電流を測定する。電流測定器3Bは、半導体モジュール1とコンバータ回路13との間の下側の母線に接続されるとともに、温度変化推定部6に接続されている。
In the
電力変換装置200Bでは、電力変換装置200Aと比較して、電流の測定方法のみが異なり、スイッチング素子の温度変化推定方法、パワーサイクル寿命の推定方法などについては、電力変換装置200Aと同様であるため、説明を省略する。
The
図17は、図16に示した電力変換装置が備える電流測定器の接続位置を説明するための図である。半導体モジュール1は、6つのスイッチング素子を備えている。各スイッチング素子は、IGBTとダイオードとで構成されている。6つのスイッチング素子のうち右端の2つのスイッチング素子で第1のレグが構成され、右から2つめの2つのスイッチング素子で第2のレグが構成され、左端の2つのスイッチング素子で第3のレグが構成されている。
FIG. 17 is a diagram for explaining a connection position of a current measuring device included in the power conversion device shown in FIG. The
電流測定器3Bは3つの電流測定器を備えている。電流測定器3Bのうちの第1の電流測定器は、第1のレグに含まれる下アームのスイッチング素子のエミッタ側に接続されている。電流測定器3Bのうちの第2の電流測定器は、第2のレグに含まれる下アームのスイッチング素子のエミッタ側に接続されている。電流測定器3Bのうちの第3の電流測定器は、第3のレグに含まれる下アームのスイッチング素子のエミッタ側に接続されている。
The
図17に示すように、電流測定器3Bを下アームのスイッチング素子のエミッタ側に接続した場合、下側のスイッチング素子に流れる電流を測定することはできるが、上側のスイッチング素子に流れる電流を直接測定することができない。電力変換装置200Bでは、電流測定器3Bで得られる下側のスイッチング素子に流れる電流の大きさと、制御器4で制御しているスイッチングパターンと、三相交流の電流の瞬時値との三相の和が常に0になることに基づいて、上側のスイッチング素子に流れる電流を推測することができる。
As shown in FIG. 17, when the
なお、電流測定器3Bは、上側のスイッチング素子のコレクタ側に接続されてもよい。図18は、実施の形態1にかかる電力変換装置が備える半導体モジュールに対し上側のスイッチング素子のコレクタ側に接続した電流測定器の接続位置を説明するための図である。
The
電流測定器3Cは3つの電流測定器を備えている。電流測定器3Cのうちの第1の電流測定器は、第1のレグに含まれる上アームのスイッチング素子のコレクタ側に接続されている。電流測定器3Cのうちの第2の電流測定器は、第2のレグに含まれる上アームのスイッチング素子のコレクタ側に接続されている。電流測定器3Cのうちの第3の電流測定器は、第3のレグに含まれる上アームのスイッチング素子のコレクタ側に接続されている。
The
図18に示すように、電流測定器3Cを上アームのスイッチング素子のコレクタ側に接続した場合、上側のスイッチング素子に流れる電流を測定することはできるが、下側のスイッチング素子に流れる電流を直接測定することができない。電流測定器3Cを備えた電力変換装置200Bでは、電流測定器3Cで得られる上側のスイッチング素子に流れる電流の大きさと、制御器4で制御しているスイッチングパターンと、三相交流の電流の瞬時値との三相の和が常に0になることに基づいて、下側のスイッチング素子に流れる電流を推測することができる。
As shown in FIG. 18, when the
このように実施の形態1では、電力変換装置200Aが、上昇変化閾値Xに基づいて、チップ温度上昇の最大値ΔTjmaxを設定し、下降変化閾値Yに基づいて、チップ温度下降の最小値ΔTjminを設定している。これにより、電力変換装置200Aは、運転時における電流値変化、電力変換装置200Aの出力周波数に依存せずに温度変動を検出できる。したがって、電力変換装置200Aは、パワーサイクル劣化度LP/Cを精度良く推定することができる。これにより、電力変換装置200Aは、スイッチング素子の寿命を精度良く推定できるので、信頼性の高い電力変換装置200Aを提供することができる。As described above, in the first embodiment, the
また、図17および図18に示すように、電流測定位置を変えても、運転状態によらず、高精度にパワーサイクル劣化度LP/Cの推定を行うことができる。Further, as shown in FIGS. 17 and 18, even if the current measurement position is changed, the power cycle deterioration degree L P / C can be estimated with high accuracy regardless of the operating state.
実施の形態2.
つぎに、図19から図21を用いてこの発明の実施の形態2について説明する。実施の形態2では、半導体モジュール1の基準温度を用いて、パワーサイクル劣化度LP/Cを推定する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 19 to 21. In the second embodiment, the power cycle deterioration degree L P / C is estimated using the reference temperature of the
図19は、実施の形態2にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの構成を示す図である。図19の各構成要素のうち図3に示す電力変換装置200Aと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。
FIG. 19 is a diagram showing a configuration of a power conversion system including the power conversion device according to the second embodiment. Of the components of FIG. 19, the components that achieve the same functions as the
実施の形態2の電力変換システムは、商用電源12と、コンバータ回路13と、平滑コンデンサ14と、電力変換装置200Cと、モータ2とを備えている。電力変換装置200Cは、電力変換装置200Aが備える構成要素に加えて、半導体モジュール1の基準温度Tthを測定する基準温度測定器11を備えている。また、温度変化推定部6は、電力損失演算器61と、チップ温度変化演算器62Cと、温度変化演算器63とを備えている。チップ温度変化演算器62Cは、電力損失演算器61および温度変化演算器63に接続されている。
The power conversion system of the second embodiment includes a
基準温度測定器11は、半導体モジュール1の基準温度Tthを測定し、測定した基準温度Tthをチップ温度変化演算器62Cに出力する。
The reference temperature measuring device 11 measures the reference temperature Tth of the
例えば、電力変換器を低周波数で運転した場合、温度変動差ΔTj(max-min)を計算する間に、スイッチング素子を備えた半導体チップの周辺温度が変動すると、温度変動差ΔTj(max-min)に対して影響を与えてしまう。チップ温度が上昇している間にスイッチング素子のベース温度が上昇し、その後、チップ温度が下降している間にスイッチング素子のベース温度が他の影響によって下降しない場合がある。この場合、電力変換装置は、ベース温度の増加分が考慮されないため、過剰な温度変動差ΔTj(max-min)を算出してしまう。 For example, when the power converter is operated at a low frequency, if the ambient temperature of the semiconductor chip provided with the switching element fluctuates while the temperature fluctuation difference ΔTj (max-min) is calculated, the temperature fluctuation difference ΔTj (max-min) ) Will be affected. The base temperature of the switching element may rise while the chip temperature is rising, and then the base temperature of the switching element may not fall due to other influences while the chip temperature is falling. In this case, since the power conversion device does not consider the increase in the base temperature, the excessive temperature fluctuation difference ΔTj (max-min) is calculated.
このため、本実施の形態では、電力変換装置200Cが、スイッチング素子を備えた半導体チップ113A,113B以外の温度の変化を考慮して、温度変動差ΔTj(max-min)を算出する。
Therefore, in the present embodiment, the power conversion device 200C calculates the temperature fluctuation difference ΔTj (max-min) in consideration of the temperature change other than the
具体的には、電力変換装置200Cは、予め基準となる温度(半導体モジュール1の基準温度Tth)を測定し、基準温度Tthおよびチップ温度変化から、半導体チップ113A,113Bのジャンクション温度を推定して温度変動差ΔTj(max-min)を算出する。これにより、電力変換装置200Cは、スイッチング素子の温度を精度良く推定することができる。
Specifically, the power converter 200C measures the reference temperature (reference temperature Tth of the semiconductor module 1) in advance, and estimates the junction temperature of the
基準温度測定器11が測定する基準温度Tthは、半導体モジュール1内の基板温度またはベース板115の温度である。したがって、基準温度測定器11は、半導体チップ113A,113Bの底面またはベース板115の上面などに配置される。
The reference temperature Tth measured by the reference temperature measuring device 11 is the substrate temperature in the
なお、電力変換装置200Cは、半導体モジュール1に冷却器(冷却フィン)を取り付け、この冷却器の温度を測定することによってベース板115の温度を測定してもよい。
The power conversion device 200C may measure the temperature of the
また、基準温度測定器11は、基準温度Tthを測定するものであれば、その構成は問わない。基準温度測定器11は、例えば、サーミスタ、光学系温度センサなどで構成されうる。 Further, the reference temperature measuring device 11 may have any configuration as long as it measures the reference temperature Tth. The reference temperature measuring device 11 may be composed of, for example, a thermistor, an optical system temperature sensor, or the like.
図20は、実施の形態2にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の構成を示す図である。図20の各構成要素のうち図8に示すチップ温度変化演算器62Aと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。
FIG. 20 is a diagram showing a configuration of a chip temperature change calculator included in the power conversion device according to the second embodiment. Of the components of FIG. 20, components that achieve the same function as the chip
チップ温度変化演算器62Cは、実施の形態1のチップ温度変化演算器62Aと同様に、電力損失演算器61から入力された電力損失PLossに基づいて、チップ温度変化ΔTjを算出する。The chip temperature change calculator 62C calculates the chip temperature change ΔTj based on the power loss P Loss input from the
チップ温度変化演算器62Cは、電力損失PLossおよび過渡熱抵抗Rth(t)を用いて算出したチップ温度変化ΔTjに対して、基準温度測定器11から入力された基準温度Tthを加算する。チップ温度変化演算器62Cは、チップ温度変化ΔTjに基準温度Tthを加算した加算結果を、チップ温度Tjとして温度変化演算器63に出力する。The chip temperature change calculator 62C adds the reference temperature Tth input from the reference temperature measuring device 11 to the chip temperature change ΔTj calculated by using the power loss P Loss and the transient thermal resistance Rth (t). The chip temperature change calculator 62C outputs the addition result of adding the reference temperature Tth to the chip temperature change ΔTj to the
図21は、実施の形態2にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の別構成例を示す図である。図21の各構成要素のうち図9に示すチップ温度変化演算器62Bと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。 FIG. 21 is a diagram showing another configuration example of the chip temperature change calculator included in the power conversion device according to the second embodiment. Of the components of FIG. 21, the components that achieve the same function as the chip temperature change calculator 62B shown in FIG. 9 are designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
温度変化推定部6には、チップ温度変化演算器62Cの代わりに、チップ温度変化演算器62Dが配置されてもよい。図21では、過渡熱抵抗Rth(t)を高精度に模擬する際に適用されるチップ温度変化演算器62Dの構成を示している。
The chip
チップ温度変化演算器62Dは、実施の形態1のチップ温度変化演算器62Bと同様に、複数の一次遅れ系の複数の熱伝達関数の和で過渡熱抵抗Rth(t)を表現する。チップ温度変化演算器62Dは、電力損失PLossおよび過渡熱抵抗Rth(t)を用いて算出したチップ温度変化ΔTjに対して、基準温度測定器11から入力された基準温度Tthを加算する。チップ温度変化演算器62Dは、チップ温度変化ΔTjに基準温度Tthを加算した加算結果を、チップ温度Tjとして温度変化演算器63に出力する。Similar to the chip temperature change calculator 62B of the first embodiment, the chip
実施の形態1では、温度変化演算器63が、チップ温度変化ΔTjに基づいて、スイッチング素子の温度変動差ΔTj(max-min)を算出したが、実施の形態2では、温度変化演算器63が、チップ温度Tjに基づいて、スイッチング素子の温度変動差ΔTj(max-min)を算出する。実施の形態2の温度変化演算器63は、実施の形態1の温度変化演算器63と同様の処理によって、温度変動差ΔTj(max-min)を算出する。
In the first embodiment, the
電力変換装置200Cにおける、回数演算器7、劣化度演算器8、アラーム表示器9、および劣化度表示器10は、電力変換装置200Aにおける、回数演算器7、劣化度演算器8、アラーム表示器9、および劣化度表示器10と同様の処理を実行する。
The
このように、実施の形態2では、電力変換装置200Cが、基準温度Tthを考慮してパワーサイクル劣化度LP/Cを推定するので、電力変換装置200Aよりも精度良くパワーサイクル劣化度LP/Cを推定することができる。Thus, in the second embodiment, power converter 200C is because in consideration of the reference temperature Tth estimate the power cycle deterioration degree L P / C, high accuracy power cycle deterioration degree L P than the
実施の形態3.
つぎに、図22から図26を用いてこの発明の実施の形態3について説明する。実施の形態3では、電流測定器3Aによって測定された電流値Iからノイズの影響を除外した実電流値を学習し、学習した実電流値を用いてパワーサイクル劣化度LP/Cを推定する。Embodiment 3.
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 22 to 26. In the third embodiment, the actual current value obtained by excluding the influence of noise from the current value I measured by the
図22は、実施の形態3にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの構成を示す図である。図22の各構成要素のうち図3に示す電力変換装置200Aと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。
FIG. 22 is a diagram showing a configuration of a power conversion system including the power conversion device according to the third embodiment. Of the components of FIG. 22, the components that achieve the same functions as the
実施の形態3の電力変換システムは、商用電源12と、コンバータ回路13と、平滑コンデンサ14と、電力変換装置200Dと、モータ2とを備えている。電力変換装置200Dは、電力変換装置200Aが備える構成要素に加えて、データロガー15を備えている。また、温度変化推定部6は、電力損失演算器61と、チップ温度変化演算器62Aと、温度変化演算器63と、電流推定部64とを備えている。
The power conversion system of the third embodiment includes a
データロガー15は、スイッチング素子に流れる実電流波形を測定する測定器の一例である。データロガー15は、測定した実電流波形を電流推定部64に送る。なお、データロガー15は、電力変換装置200Dと別構成であってもよい。
The
電力変換装置200Dでは、電流測定器3Aによって測定された電流値Iが、電流推定部64に送られる。また、制御器4は、制御信号SGを駆動信号生成部5、電力損失演算器61、および電流推定部64に送る。In the
電流推定部64は、電流測定器3Aによって測定された電流値Iと制御器4から入力される制御信号SGとに基づいて、電流値Iからノイズの影響を除外した実電流値IAIを出力する。Current estimating unit 64, based on the control signal S G supplied from the
例えば、電力変換器を低電流で運転した場合、電流測定器3Aによって測定された電流値Iにノイズが重畳されると、電力損失演算器61による電力損失PLossの計算に誤差が生じる可能性がある。電力損失PLossの計算に誤差が生じた場合には、パワーサイクル劣化度LP/Cの推定精度が低下する。For example, when the power converter is operated at a low current, if noise is superimposed on the current value I measured by the
このため、本実施の形態では、電力変換装置200Dが、電流値Iに重畳されているノイズを計算し、ノイズの含まれていない実電流値IAIを学習し、実電流値IAIを用いて、パワーサイクル劣化度LP/Cを推定する。Therefore, in the present embodiment, the
図23は、実施の形態3にかかる電力変換装置が備える電流推定部の構成を示す図である。電流推定部64は、機械学習装置641と、推定電流出力部645とを備えている。機械学習装置641は、データ取得部642と、状態観測部643と、学習部644とを含んでいる。
FIG. 23 is a diagram showing a configuration of a current estimation unit included in the power conversion device according to the third embodiment. The current estimation unit 64 includes a machine learning device 641 and an estimated
状態観測部643は、電流測定器3Aから出力される電流値Iと、制御器4から出力される制御信号SGとを、状態変数として観測し、学習部644に出力する。データ取得部642は、学習段階において、データロガー15などの電流検出装置からスイッチング素子に流れる電流の実電流波形を取得し、学習部644に出力する。
学習段階の実電流波形は、ノイズが重畳されていない実際の電流波形とする。例えば、半導体モジュール1を開封して、スイッチング素子に直接、電流検出装置を取り付けて測定された電流波形が、学習段階の実電流波形である。
The actual current waveform in the learning stage is an actual current waveform on which noise is not superimposed. For example, the current waveform measured by opening the
学習部644は、状態観測部643から出力される状態変数と、データ取得部642から出力される実電流波形との組合せに基づいて作成されるデータセットに基づいて、電流値Iに対応する実電流値IAIを算出するための算出モデルを学習する。データセットは、状態変数および実電流波形(判定データ)を互いに関連付けたデータである。状態観測部643から出力される状態変数は、電流測定器3Aから出力された電流値I、および制御器4から出力された制御信号SGである。The
推定電流出力部645は、活用段階において、状態観測部643から出力される、電流値Iおよび制御信号SGを、学習部644を介して受け付けると、学習部644で学習した学習モデルである算出モデルを用いて、実電流値IAIを算出し、電力損失演算器61に出力する。Estimating the
推定電流出力部645が電力損失演算器61に出力する実電流値IAIは、実施の形態1,2における電流値I(電流測定器3Aから出力される電流値I)に相当する。すなわち、実電流値IAIは、電力損失演算器61が、電力損失PLossを演算するために用いる電流値である。The actual current value I AI output by the estimated
電流推定部64は、学習段階では、実電流値IAIを算出する算出モデルを学習し、活用段階では、算出モデルを用いて実電流値IAIを算出する。これにより、電流推定部64は、パワーサイクル劣化度LP/Cを推定する際に用いられる、ノイズの無い実電流値IAIを学習する。The current estimation unit 64 learns a calculation model for calculating the actual current value I AI in the learning stage, and calculates the actual current value I AI using the calculation model in the utilization stage. As a result, the current estimation unit 64 learns the noise-free actual current value I AI used when estimating the power cycle deterioration degree L P / C.
図24は、実施の形態3にかかる電力変換装置による学習処理および活用処理の処理手順を説明するための図である。電流推定部64は、学習段階では、算出モデルの学習処理を行い、活用段階では、実電流値IAIの算出処理を行う。FIG. 24 is a diagram for explaining the processing procedure of the learning process and the utilization process by the power conversion device according to the third embodiment. The current estimation unit 64 performs learning processing of the calculation model in the learning stage, and performs calculation processing of the actual current value I AI in the utilization stage.
(学習段階)
データ取得部642が、データロガー15などの電流検出装置からスイッチング素子に流れる電流の実電流波形を取得する。また、状態観測部643が、電流測定器3Aから出力される電流値Iと、制御器4から出力される制御信号SGとを、状態変数として観測する。学習部644は、状態観測部643から出力される状態変数と、データ取得部642から出力される実電流波形との組合せに基づいて作成されるデータセットに基づいて、実電流値IAIを算出するための算出モデルを学習する。(Learning stage)
The
(活用段階)
電流推定部64は、学習部644が学習した算出モデルを用いて実電流値IAIを算出する。具体的には、電流推定部64は、電流測定器3Aから出力される電流値Iと、制御器4から出力される制御信号SGとを算出モデルに入力することで、実電流値IAIを算出する。電力変換装置200Dは、実電流値IAIを用いて、パワーサイクル劣化度LP/Cを推定する。(Utilization stage)
The current estimation unit 64 calculates the actual current value I AI using the calculation model learned by the
なお、機械学習装置641は、電力変換装置200Dに設けられなくてもよく、電力変換装置200Dの外部に設けられてもよい。機械学習装置641は、ネットワークを介して電力変換装置200Dに接続可能な装置に設けられてもよい。すなわち、機械学習装置641は、ネットワークを介して電力変換装置200Dに接続された別個のコンポーネントであってもよい。また、機械学習装置641は、クラウドサーバ上に存在していてもよい。
The machine learning device 641 may not be provided in the
学習部644は、例えば、ニューラルネットワークモデルにしたがって、いわゆる教師あり学習により、電流値Iに対応する実電流値IAIを学習する。ここで、教師あり学習とは、ある入力と結果(ラベル)のデータの組を大量に学習装置に与えることで、それらのデータセットにある特徴を学習し、入力から結果を推定するモデルをいう。The
ニューラルネットワークは、複数のニューロンからなる入力層、複数のニューロンからなる中間層(隠れ層)、および複数のニューロンからなる出力層で構成される。中間層は、1層でもよいし2層以上でもよい。 A neural network is composed of an input layer composed of a plurality of neurons, an intermediate layer (hidden layer) composed of a plurality of neurons, and an output layer composed of a plurality of neurons. The intermediate layer may be one layer or two or more layers.
図25は、実施の形態3にかかる機械学習装置が用いるニューラルネットワークの構成を示す図である。例えば、図25に示すような3層のニューラルネットワークであれば、複数の入力が入力層X1〜X3に入力されると、その値に重みw11〜w16を掛けて中間層Y1,Y2に入力され、その結果にさらに重みw21〜w26を掛けて出力層Z1〜Z3から出力される。この出力結果は、重みw11〜w16および重みw21〜w26の値によって変わる。 FIG. 25 is a diagram showing a configuration of a neural network used by the machine learning device according to the third embodiment. For example, in the case of a three-layer neural network as shown in FIG. 25, when a plurality of inputs are input to the input layers X1 to X3, the values are multiplied by the weights w11 to w16 and input to the intermediate layers Y1 and Y2. , The result is further multiplied by the weights w21 to w26 and output from the output layers Z1 to Z3. This output result depends on the values of the weights w11 to w16 and the weights w21 to w26.
実施の形態3のニューラルネットワークは、状態観測部643によって観測される、電流値Iおよび制御信号SGと、データ取得部642が取得する実電流波形と、の組合せに基づいて作成されるデータセットに従って、いわゆる教師あり学習により、実電流値IAIを学習する。Neural network of the third embodiment is observed by the
すなわち、ニューラルネットワークは、入力層X1〜X3に電流値Iおよび制御信号SGを入力して出力層Z1〜Z3から出力された結果が、実電流波形に近づくように重みw11〜w16,w21〜w26を調整することで実電流値IAIを学習する。学習部644は、重みw11〜w16,w21〜w26を調整したニューラルネットワークを推定電流出力部645に送る。In other words, neural network, the input layer X1~X3 current value I and the control signal S G results by entering output from the output layer Z1~Z3 to have the weight so as to approach the actual current waveform w11~w16, w21~ The actual current value I AI is learned by adjusting w26. The
また、学習部644は、複数の電力変換装置に対して作成されるデータセットにしたがって、実電流値IAIを学習するようにしてもよい。また、学習部644は、同一の現場で使用される複数の電力変換装置からデータセットを取得してもよいし、或いは、異なる現場で独立して稼働する複数の電力変換装置から収集されるデータセットを利用して実電流値IAIを学習してもよい。さらに、データセットを収集する電力変換装置を途中で対象に追加し、或いは、逆に対象から除去することも可能である。また、ある電力変換装置に関して実電流値IAIを学習した機械学習装置を、これとは別の電力変換装置に取り付け、当該別の電力変換装置に関して実電流値IAIを再学習して更新するようにしてもよい。Further, the
また、学習部644に用いられる学習アルゴリズムとしては、特徴量そのものの抽出を学習する、深層学習(Deep Learning)を用いることもでき、他の公知の方法、例えば遺伝的プログラミング、機能論理プログラミング、サポートベクターマシンなどにしたがって機械学習を実行してもよい。
Further, as the learning algorithm used in the
電流推定部64は、算出モデルを用いて算出した実電流値IAIを、電力損失演算器61に出力する。電力損失演算器61は、電流推定部64から取得した実電流値IAIと、制御器4から入力される制御信号SGとに基づいて、スイッチング素子に発生する電力損失PLossを演算する。以下、実施の形態1で説明した手順に従って、電力変換装置200Dは、パワーサイクル劣化度LP/Cを推定する。なお、電流推定部64は、電力変換装置200A,200B,200Cに適用されてもよい。The current estimation unit 64 outputs the actual current value I AI calculated using the calculation model to the
ここで、電流推定部64のハードウェア構成について説明する。図26は、実施の形態3にかかる電力変換装置が備える電流推定部を実現するハードウェア構成例を示す図である。 Here, the hardware configuration of the current estimation unit 64 will be described. FIG. 26 is a diagram showing an example of a hardware configuration that realizes a current estimation unit included in the power conversion device according to the third embodiment.
電流推定部64は、入力装置151、プロセッサ152、メモリ153、および出力装置154により実現することができる。プロセッサ152の例は、CPU(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、DSP(Digital Signal Processor)ともいう)またはシステムLSI(Large Scale Integration)である。メモリ153の例は、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)である。
The current estimation unit 64 can be realized by the input device 151, the processor 152, the
電流推定部64は、プロセッサ152が、メモリ153で記憶されている電流推定部64の動作を実行するための、コンピュータで実行可能な、実電流値IAIの学習プログラムを読み出して実行することにより実現される。電流推定部64の動作を実行するためのプログラムである学習プログラムは、電流推定部64の手順または方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。The current estimation unit 64 reads and executes a computer-executable learning program of the actual current value I AI for the processor 152 to execute the operation of the current estimation unit 64 stored in the
電流推定部64で実行される学習プログラムは、機械学習装置641と、推定電流出力部645とを含むモジュール構成となっており、これらが主記憶装置上にロードされ、これらが主記憶装置上に生成される。
The learning program executed by the current estimation unit 64 has a modular configuration including a machine learning device 641 and an estimated
入力装置151は、電流値I、制御信号SG、実電流波形などを受け付けてプロセッサ152に送る。メモリ153は、プロセッサ152が各種処理を実行する際の一時メモリに使用される。メモリ153は、例えば、学習プログラム、電流値I、制御信号SG、実電流波形などを記憶する。出力装置154は、実電流値IAIを電力損失演算器61に出力する。The input device 151 receives the current value I, the control signal SG , the actual current waveform, and the like and sends them to the processor 152. The
学習プログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルで、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されてコンピュータプログラムプロダクトとして提供されてもよい。また、学習プログラムは、インターネットなどのネットワーク経由で電流推定部64に提供されてもよい。 The learning program may be a file in an installable or executable format, stored in a computer-readable storage medium, and provided as a computer program product. Further, the learning program may be provided to the current estimation unit 64 via a network such as the Internet.
なお、電流推定部64の機能について、一部を専用回路などの専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。また、電力変換装置200A〜200Cの一部が、図26のハードウェアで構成されてもよい。
The function of the current estimation unit 64 may be partially realized by dedicated hardware such as a dedicated circuit and partially realized by software or firmware. Further, a part of the
このように、実施の形態3では、電流推定部64が、電流値I、制御信号SG、および実電流波形に基づいて、電流値Iに対応する実電流値IAIを学習し、電力変換装置200Dは、電流値Iのノイズによる影響を低減させた実電流値IAIを用いてパワーサイクル劣化度LP/Cを推定する。これにより、電流値Iのノイズによる影響を抑制したパワーサイクル劣化度LP/Cを推定することができる。As described above, in the third embodiment, the current estimation unit 64 learns the actual current value I AI corresponding to the current value I based on the current value I, the control signal SG , and the actual current waveform, and performs power conversion. The
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configuration shown in the above-described embodiment shows an example of the content of the present invention, can be combined with another known technique, and is one of the configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.
1 半導体モジュール、2 モータ、3A〜3C 電流測定器、4 制御器、5 駆動信号生成部、6 温度変化推定部、7 回数演算器、8 劣化度演算器、9 アラーム表示器、10 劣化度表示器、11 基準温度測定器、12 商用電源、13 コンバータ回路、14 平滑コンデンサ、15 データロガー、61 電力損失演算器、62A〜62D チップ温度変化演算器、63 温度変化演算器、64 電流推定部、111 回路パターン、112 ワイヤ、113A,113B 半導体チップ、114 基板、115 ベース板、151 入力装置、152 プロセッサ、153 メモリ、154 出力装置、200A〜200D 電力変換装置、611 IGBT損失演算器、612 FWD損失演算器、613 信号判断器、614 IGBT定常損失データテーブル、615 IGBTオン損失データテーブル、616 IGBTオフ損失データテーブル、617 FWD定常損失データテーブル、618 FWDリカバリー損失データテーブル、631 上昇最大値計算部、632 上昇変化閾値格納部、633 下降最小値計算部、634 下降変化閾値格納部、635 変動差計算部、636 上昇判断部、637 上昇比較部、638 下降判断部、639 下降比較部、641 機械学習装置、642 データ取得部、643 状態観測部、644 学習部、645 推定電流出力部、A1,A2 加算器、M1 最大値記憶部、M2 最小値記憶部、P1〜P5 演算器。 1 Semiconductor module, 2 motors, 3A to 3C current measuring device, 4 controller, 5 drive signal generator, 6 temperature change estimation unit, 7 frequency calculator, 8 deterioration degree calculator, 9 alarm indicator, 10 deterioration degree display Instrument, 11 reference temperature measuring instrument, 12 commercial power supply, 13 converter circuit, 14 smoothing capacitor, 15 data logger, 61 power loss calculator, 62A to 62D chip temperature change calculator, 63 temperature change calculator, 64 current estimator, 111 circuit pattern, 112 wires, 113A, 113B semiconductor chip, 114 board, 115 base plate, 151 input device, 152 processor, 153 memory, 154 output device, 200A to 200D power converter, 611 IGBT loss calculator, 612 FWD loss Calculator, 613 signal judge, 614 IGBT steady loss data table, 615 IGBT on loss data table, 616 IGBT off loss data table, 617 FWD steady loss data table, 618 FWD recovery loss data table, 631 maximum rise value calculator, 632 Ascending change threshold storage unit, 633 Downward minimum value calculation unit, 634 Downward change threshold storage unit, 635 Fluctuation difference calculation unit, 636 Ascending judgment unit, 637 Ascending comparison unit, 638 Downward judgment unit, 639 Downward comparison unit, 641 Machine learning Device, 642 data acquisition unit, 643 state observation unit, 644 learning unit, 645 estimated current output unit, A1, A2 adder, M1 maximum value storage unit, M2 minimum value storage unit, P1 to P5 arithmetic unit.
Claims (7)
制御信号を出力して前記スイッチング素子を制御する制御部と、
前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動する駆動部と、
前記スイッチング素子に流れる電流値および前記制御信号に基づいて、前記スイッチング素子が格納されている半導体チップの温度変化を推定する温度変化推定部と、
前記温度変化に基づいて、前記半導体チップの1回の温度の上昇と下降とを1回のパワーサイクルとした場合の前記パワーサイクルの繰り返しによって前記半導体チップが破壊されるまでの前記パワーサイクルの耐回数を演算する回数演算部と、
前記耐回数に基づいて、前記パワーサイクルの繰り返しに起因する前記半導体チップの劣化度をパワーサイクル劣化度として算出する劣化度演算部と、
を備え、
前記温度変化推定部は、
前記半導体チップが温度上昇していると判断される際に許容される温度下降の閾値である第1の閾値および前記温度変化に基づいて、前記1回のパワーサイクルにおける前記半導体チップの温度の最大値を演算し、前記半導体チップが温度下降していると判断される際に許容される温度上昇の閾値である第2の閾値および前記温度変化に基づいて、前記1回のパワーサイクルにおける前記半導体チップの温度の最小値を演算し、前記最大値および前記最小値に基づいて、前記半導体チップの前記1回のパワーサイクルにおける温度変動差を演算し、
前記回数演算部は、前記温度変動差に基づいて、前記耐回数を演算し、
前記温度変化推定部は、
前記スイッチング素子に流れる電流値と、前記制御信号とに基づいて、前記スイッチング素子に発生する電力損失を演算し、前記スイッチング素子の熱抵抗値の時間変化を示す過渡熱抵抗データおよび前記スイッチング素子の熱時定数を用いた一次遅れ項のデータから算出された前記スイッチング素子の過渡熱抵抗と、前記電力損失と、に基づいて、前記温度変化を演算し、
前記過渡熱抵抗は、
複数の一次遅れ系の複数の熱伝達関数の和で表現されている、
ことを特徴とする電力変換装置。 A power converter equipped with a switching element
A control unit that outputs a control signal to control the switching element,
A drive unit that drives the switching element based on the control signal,
A temperature change estimation unit that estimates the temperature change of the semiconductor chip in which the switching element is stored based on the current value flowing through the switching element and the control signal.
When the temperature rise and fall of the semiconductor chip is regarded as one power cycle based on the temperature change, the resistance of the power cycle until the semiconductor chip is destroyed by the repetition of the power cycle. The number calculation unit that calculates the number of times and the number calculation unit
A deterioration degree calculation unit that calculates the degree of deterioration of the semiconductor chip due to the repetition of the power cycle as the power cycle deterioration degree based on the number of times of use.
With
The temperature change estimation unit
The maximum temperature of the semiconductor chip in the one power cycle is based on the first threshold, which is the threshold for temperature decrease allowed when the temperature of the semiconductor chip is determined to rise, and the temperature change. The semiconductor in one power cycle is calculated based on a second threshold, which is a temperature rise threshold allowed when the temperature of the semiconductor chip is determined to be falling, and a temperature change. The minimum value of the temperature of the chip is calculated, and the temperature fluctuation difference in the one power cycle of the semiconductor chip is calculated based on the maximum value and the minimum value.
The number-of-times calculation unit calculates the withstand number of times based on the temperature fluctuation difference.
The temperature change estimation unit
The power loss generated in the switching element is calculated based on the current value flowing through the switching element and the control signal, and the transient thermal resistance data showing the time change of the thermal resistance value of the switching element and the switching element The temperature change is calculated based on the transient thermal resistance of the switching element calculated from the data of the first-order lag term using the thermal time constant and the power loss.
The transient thermal resistance is
It is expressed by the sum of multiple heat transfer functions of multiple first-order lag systems.
A power conversion device characterized by that.
前記温度変化推定部は、
前記スイッチング素子に流れる電流値からノイズが重畳されていない電流値である実電流値を推定する電流推定部を備え、
前記電流推定部は、
前記スイッチング素子に流れる電流値から前記実電流値を算出する算出モデルを学習する機械学習装置と、
前記機械学習装置が学習した結果に基づいて前記実電流値を推定する推定電流出力部と、
を有し、
前記機械学習装置は、
前記制御信号および前記電流測定器が測定した電流値を状態変数として観測する状態観測部と、
前記スイッチング素子に流れる実際の電流波形を取得するデータ取得部と、
前記状態変数および前記電流波形の組合せに基づいて作成されるデータセットにしたがって、前記スイッチング素子に流れる電流値に対応する前記実電流値を学習する学習部と、
を具備し、
前記温度変化推定部は、前記学習部が学習した実電流値を、前記スイッチング素子に流れる電流値として前記温度変化を推定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 A current measuring device for measuring the value of the current flowing through the switching element is further provided.
The temperature change estimation unit
A current estimation unit that estimates an actual current value, which is a current value in which noise is not superimposed, is provided from the current value flowing through the switching element.
The current estimation unit
A machine learning device that learns a calculation model that calculates the actual current value from the current value flowing through the switching element.
An estimated current output unit that estimates the actual current value based on the result learned by the machine learning device, and
Have,
The machine learning device
A state observing unit that observes the control signal and the current value measured by the current measuring device as state variables.
A data acquisition unit that acquires the actual current waveform flowing through the switching element, and
A learning unit that learns the actual current value corresponding to the current value flowing through the switching element according to a data set created based on the combination of the state variable and the current waveform.
Equipped with
The temperature change estimation unit estimates the temperature change by using the actual current value learned by the learning unit as the current value flowing through the switching element.
The power conversion device according to claim 1.
前記制御信号に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチング周波数と、前記スイッチング素子のスイッチングのデューティ比とを演算し、
前記スイッチング素子に流れる電流値と、前記スイッチング素子に流れる電流値に対応する前記スイッチング素子の損失特性と、前記スイッチング周波数と、前記デューティ比と、に基づいて、前記電力損失とを演算する、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The temperature change estimation unit
Based on the control signal, the switching frequency of the switching element and the switching duty ratio of the switching element are calculated.
The power loss is calculated based on the current value flowing through the switching element, the loss characteristic of the switching element corresponding to the current value flowing through the switching element, the switching frequency, and the duty ratio.
The power conversion device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。 The number-of-times calculation unit calculates the number-of-times withdrawal based on the power cycle life data showing the correspondence between the temperature fluctuation difference and the withstand-through number of times and the temperature fluctuation difference.
The power conversion device according to claim 3.
前記温度変化推定部は、前記基準温度が加算された前記温度変化を推定する、
ことを特徴とする請求項1から4の何れか1つに記載の電力変換装置。 A reference temperature measuring device for measuring the temperature of the semiconductor module in which the semiconductor chip is stored as a reference temperature for the semiconductor chip is further provided.
The temperature change estimation unit estimates the temperature change to which the reference temperature is added.
The power conversion device according to any one of claims 1 to 4, wherein the power conversion device is characterized.
前記半導体チップは、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタを格納する第1のチップと、前記フリーホイールダイオードを格納する第2のチップとを含み、
前記温度変化推定部は、前記第1のチップの温度変化と前記第2のチップの温度変化とを別々に演算し、
前記回数演算部は、前記第1のチップの耐回数と前記第2のチップの耐回数とを別々に演算し、
前記劣化度演算部は、前記第1のチップの劣化度と前記第2のチップの劣化度とを別々に演算する、
ことを特徴とする請求項1から5の何れか1つに記載の電力変換装置。 The switching element is an insulated gate bipolar transistor and a freewheel diode.
The semiconductor chip includes a first chip that stores the insulated gate bipolar transistor and a second chip that stores the freewheel diode.
The temperature change estimation unit separately calculates the temperature change of the first chip and the temperature change of the second chip.
The number-of-times calculation unit separately calculates the withstand times of the first chip and the withstand times of the second chip.
The deterioration degree calculation unit separately calculates the deterioration degree of the first chip and the deterioration degree of the second chip.
The power conversion device according to any one of claims 1 to 5, wherein the power conversion device is characterized.
前記パワーサイクル劣化度を表示する劣化度表示器と、
をさらに備える、
ことを特徴とする請求項1から6の何れか1つに記載の電力変換装置。 An alarm display that displays an alarm when the power cycle deterioration degree exceeds the reference value, and
A deterioration degree indicator that displays the power cycle deterioration degree, and
Further prepare
The power conversion device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that.
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